Cette thèse est une étude numérique d'un écoulement d'air dans une cavité différentiellement chauffée bidimensionnelle en présence de gravité. Pour un rapport hauteur/largeur de deux et des parois horizontales supposées adiabatiques, l'écoulement de base correspond à une recirculation autour de la cavité avec un coeur stratifié et des couches limites verticales. Les équations de Navier-Stokes sont résolues par un code de simulation numérique directe spectrale instationnaire basé sur l’hypothèse de Boussinesq couplé à un algorithme de suivi de particules avec interpolation. Le nombre de Rayleigh basé sur la différence de température est choisi comme paramètre de contrôle de l’écoulement. La transition vers le chaos au sein de cet écoulement est explorée à la fois du point de vue eulérien (développement de l’instationnarité) et lagrangien (mélange chaotique).L'approche lagrangienne considère le mélange de traceurs passifs infinitésimaux non diffusifs. L'étude se base sur l'identification d'objets invariants de la dynamiques : points fixes, orbites périodiques et leurs variétés stable/instable, connections homoclines et hétéroclines, trajectoires toroïdales. Le mélange des traceurs est partiel lorsque l'écoulement subit une première bifurcation de Hopf. La dispersion globale des traceurs résulte d'un compromis entre la présence de tores Kolmogorov-Arnold-Moser qui jouent le rôle de barrières au mélange, et d'enchevêtrements homoclines/hétéroclines responsables du chaos lagrangien. L'étude statistique des temps de retour et du taux d'homogénéisation révèle la présence de zones où la dynamique est non hyperbolique. En augmentant le nombre de Rayleigh, le mélange devient progressivement complet avant que l'écoulement ne devienne quasi-périodique en temps. L'approche eulérienne considère les divers scénarios de transition vers le chaos par l'identification numérique d'attracteurs et des bifurcations associées lorsque le nombre de Rayleigh varie. Deux routes principales se distinguent en fonction des symétries associées aux deux premières bifurcations de Hopf du système, contenant chacune plusieurs branches hystérétiques. Trente trois régimes différents sont identifiés et analysés depuis l'écoulement stationnaire jusqu'à un écoulement chaotique voire hyperchaotique. Parmi ceux-ci, des branches de tores à deux et trois fréquences incommensurables, ainsi que des régimes intermittents sont examinés. Des diagrammes de bifurcations qualitatifs et quantitatifs sont proposés pour résumer l'ensemble des dynamiques observées. / This thesis is about the numerical study of an air flow inside a two dimensionally heated cavity. The aspect ratio height/width is set to two. Boundary conditions on horizontal walls are taken as adiabatic. In this case, the base flow consists of a recirculation around the stratified core of the cavity and of boundary layers along the vertical walls. The Navier-Stokes equations are solved using a spectral direct numerical simulation code under the Boussinesq assumption coupled with a particle tracking scheme based on interpolation. The Rayleigh number, based on the temperature difference is chosen as the control parameter of the system. The transition to chaos in this flow is considered both from the Eulerian and Lagrangian point of view.The Lagrangian point of view considers the mixing of point-wise non-diffusive passive tracers. The study is based on the identification of invariant objects: fixed points, periodic orbits and their stable/unstable manifolds,homoclinic and heteroclinic connections, toroidal trajectories.The mixing of tracers is partial when the flow undergoes the first Hopf bifurcation. The complete mixing of tracers results from a compromise between Kolmogorov-Arnold-Moser's tori, which act as barriers to mixing, and homoclinic/heteroclinic tangles which are responsible for the mixing.The statistical study of return times and the homogenisation rate shows regionswhere the dynamics is non-hyperbolic. When the Rayleigh number is increased, mixing is increasingly complete before the flow becomes quasi-periodic in time.The Eulerian description considers the transition to chaos via the numerical identification of attractors and their associated bifurcations when the Rayleigh number is varied. Two main routes are found depending on the symmetries associated with the first two Hopf bifurcations of the system. A total of thirty three different regimes are identified from steady to hyperchaotic, among which two- and three-frequency tori as well as intermittent dynamics. Both quantitative and qualitative bifurcation diagrams are suggested for the system.

La détection de séquences génétiques par la technologie des puces à ADN se heurte à des problèmes de fiabilité et de reproductibilité, dus en grande partie à des problèmes de mélange. Dans toute cette thèse, nous montrons à quel point le mélange par advection chaotique améliore les performances de ces puces. Pour cela nous comparons, par une étude principalement numérique, l'efficacité de deux protocoles de mélange basés sur le principe d'injection alternée et périodique de fluide (modèle puits/sources) : l'un utilise des seringues réversibles, l'autre des pompes recyclant le fluide extrait, conduisant globalement à un mélange bien plus efficace et rapide. En outre, nous mettons en évidence le rôle important de la géométrie de la chambre. Dans un second temps, nous introduisons un modèle de capture chimique entre les monobrins d'ADN libres en volume (cibles) et ceux fixés sur la puce (sondes). Nous montrons alors numériquement que la réaction est généralement grandement limitée par la diffusion, mais que l'advection chaotique améliore les choses de manière très significative grâce au mélange. Ceci nous permet d'estimer les constantes de vitesses dans le cas statique (où la diffusion agit seule) et le cas dynamique (avec mélangeur). Enfin, profitant de l'opportunité d'un stage à l'Université de Sherbrooke, j'ai effectué un premier suivi en temps réel par SPR d'une cinétique de type "cibles en solution/sondes sur support" pour tenter de comparer les vitesses d'hybridation statique et dynamique.

Le mélange de solutés par les écoulements en milieux poreux contrôle les réactions chimiques dans un grand nombre d'applications souterraines, dont le transport et la remédiation des contaminants, le stockage et l'extraction souterrains d'énergie, et la séquestration du CO2. Nous étudions les mécanismes du mélange à l'échelle du pore et plus précisément comment la topologie de l'écoulement est reliée à la dynamique du mélange d'espèces conservatives; en particulier, l'émergence d'un mélange chaotique est-elle possible dans un milieu poreux tridimensionnel (3D) ? Nous calculons donc numériquement ou mesurons expérimentalement les vitesses d'écoulement et l'évolution temporelle des champs de concentration afin de caractériser la déformation et le mélange à l'échelle du pore. Une première étude, expérimentale, permet de caractériser le mélange dans un fluide s’écoulant à travers un milieu poreux bidimensionnel (2D). Nous mesurons les vitesses par suivi de microparticules solides (''PTV''). L’évolution temporelle de la distance séparant deux particules permet de caractériser la dynamique de la déformation lagrangienne. Des mesures de transport conservatif dans le même milieu fournissent l'évolution temporelle du gradient de concentration moyen (une mesure du mélange). À partir de ces résultats expérimentaux nous proposons la première validation expérimentale à l'échelle du pore de la théorie lamellaire du mélange, reliant les propriétés de la déformation du fluide à la dynamique du mélange. Dans une deuxième étude nous examinons les conditions d'apparition du mélange chaotique dans l’écoulement dans des milieux poreux 3D granulaires ordonnés. Nous effectuons des calculs numériques hautement résolus de d'écoulement de Stokes entre des sphères empilées selon une structure cristalline (cubique simple ou cubique centrée), périodique. La déformation lagrangienne, obtenue à partir des champs de vitesse à l'aide d'outils numériques développés spécifiquement, met en lumière une large variété de dynamiques de la déformation dans ces milieux 3D, selon l'orientation de l'écoulement. Quand la direction de l'écoulement n'est pas normale à l'un des plans de symétrie de réflection du cristal, l'évolution temporelle de la déformation est exponentielle, traduisant une advection chaotique. L’émergence (ou non) du chaos est contrôlée par un mécanisme similaire à la ''transformation du boulanger'': les particules fluides se déplaçant autour d'un grain solide se retrouvent séparées par une surface virtuelle (appelée “variété”) qui émerge de la surface du grain. De multiples variétés existent dans l’écoulement, et la façon dont elles s'intersectent contrôle la nature - chaotique ou non - du mélange, et l'intensité du chaos. En particulier, l'exposant de Lyapunov (une mesure du chaos), est contrôlé par la fréquence spatiale des intersections appropriées à la génération du chaos, nommées ''connections hétéroclinines'' entre variétés. L'image conventionnelle, 2D, des mécanismes du mélange, impose des contraintes topologiques qui ne permettent pas le développement de ces mécanismes 3D. Elle pourrait donc être inadaptée aux milieux poreux naturels. La troisième étude a deux objectifs: (i) fournir une preuve expérimentale de la nature chaotique de l'advection, par la visualisation des variétés et par l'obtention d'une mesure de l'exposant de Lyapunov; et (ii), évaluer si nos résultats numériques obtenus pour des milieux granulaires ordonnés peuvent être généralisés à des milieux désordonnés, plus proches des milieux naturels. L’expérience est fondée sur un empilement désordonné de sphères rendu transparent par l'ajustement optique du liquide avec les sphères. La fluorescence induite par laser (''LIF'') permet de détecter les variétés au sein de l'écoulement, et des techniques PTV de mesurer les vitesses d'écoulement et quantifier l'exposant de Lyapunov. Les premiers résultats expérimentaux sont prometteurs. / Solute mixing in porous media flows plays a central role in driving chemical reactions in a number of subsurface applications, including contaminant transport and remediation, subsurface energy storage and extraction, and CO2 sequestration. We study the mechanisms of solute mixing, in particular how the pore scale flow topology is related to the mixing dynamics of conservative solutes, with a particular emphasis on the possible emergence of chaotic mixing processes in three-dimensional (3D) porous media. To do so, we perform numerical computations or experimental measurements of the flow velocities and temporal evolution of the concentration fields, and characterize fluid deformation and mixing at the pore scale. This PhD work consists of three main studies. In the first study, we experimentally characterize mixing in a fluid flowing through a two-dimensional (2D) porous medium built by lithography. We measure the velocity distributions from Particle Tracking Velocimetry (PTV). The time evolution of the separation distance between two particles is analyzed to characterize the Lagrangian deformation dynamics. In parallel we perform conservative transport experiments with the same porous media, and quantify the temporal evolution of the mean concentration gradient, which is a measure of the mixing rate. From these experimental results we obtain the first experimental pore scale validation of the lamella mixing theory, which relates the fluid deformation properties to the mixing dynamics. In the second study, we investigate the conditions of emergence of chaotic mixing in the flow through 3D ordered granular porous media. In these periodic cubic crystalline packings (Simple Cubic - SC - and Body-Centered Cubic - BCC) of spheres, we are able to perform highly resolved computations of the 3D Stokes flow. Using custom-developed numerical tools to measure the Lagrangian deformation from the computed velocity fields, we uncover the existence of a rich array of Lagrangian deformation dynamics in these 3D media, depending on the flow orientation. When the flow direction is not normal to one of the reflection symmetry planes of the crystalline lattice, we find that the Lagrangian deformation dynamics follow an exponential law, which indicates chaotic advection. This chaotic behavior is controlled by a mechanism akin to the baker's transformation: fluid particles traveling around a solid grain along different paths end up either separated by, or on the same side of, a virtual surface projecting from the grain surface and called a manifold. Multiple such manifolds exist within the flow, and the way they intersect controls the nature of mixing (that is, either non-chaotic or chaotic), and the strength of chaos. We show in particular that the magnitude of the Lyapunov exponent (a measure of the vigor of chaos) is controlled by the spatial frequency of transverse connections between the manifolds (called heteroclinic intersections). We thus demonstrate that the conventional 2D picture of the mechanisms of mixing may not be adapted for natural porous media because that picture imposes topological constraints which cannot account for these important 3D mechanisms. The third study has two objectives: (i) provide experimental evidence of the chaotic nature of pore scale advection/mixing, both by visualizing the manifolds and by obtaining a quantitative estimate of the Lyapunov exponent; and (ii) assess if the results obtained numerically in ordered packings of spheres extend to random packings, which are closer to natural porous media. The experiment features a random packing of glass beads rendered transparent by optical index-matching between the fluid and solid grains. We use Laser Induced Fluorescence (LIF) to detect the manifolds, and PTV techniques to measure flow velocities and subsequently quantify Lyapunov exponent. The first experimental results are promising.

Les travaux de thèse sont consacrés à l’étude numérique de l’application de macro-déformations successives alternées a la paroi d’un tube. La modification de l’écoulement du fait des déformations permet de modifier ses propriétés en termes de transfert thermique et de mélange. L’objectif de l’étude d’un tel dispositif est entre autre de l’appliquer pour des configurations d’échangeurs multifonctionnels, qui sont à la fois échangeurs de chaleur et réacteurs chimiques. L’étude s’intéresse principalement aux écoulements laminaires. Les calculs sont réalisés avec le code ANSYS Fluent. L’étude est tout d’abord consacrée à la caractérisation de l’écoulement secondaire créé par les déformations ainsi qu’à l’influence des différents paramètres de déformation. Afin d’améliorer le mélange dans l’écoulement, l’étude d’une configuration coaxiale déformée a été envisagée (cette géométrie correspond de plus à une configuration d’écoulement utilisée dans l’industrie). Deux configurations annulaires ont été considérées. Dans un premier temps, les déformations pariétales ont été appliquées aux tubes interne et externe : différents déphasages longitudinaux et angulaires entre ces deux déformations ont été étudiés pour optimiser les performances thermo-hydrauliques. La seconde configuration combine des déformations sur la paroi externe et un swirl sur la paroi interne de la géométrie. Cette configuration particulière permet en régime laminaire d’augmenter significativement le mélange du fait de l’apparition d’advection chaotique dans l’écoulement. Cette dernière géométrie est appliquée dans le cas d’un échangeur solaire à concentration et permet d’améliorer les performances par rapport à un tube lisse dans des conditions similaires. La dernière partie de l’étude est consacrée à une validation expérimentale des résultats numériques lorsque les déformations sont appliquées à une plaque. Des mesures par PIV et LDA ont été réalisées pour mesurer la vitesse locale de l’écoulement. / The work presented here is focused on the numerical study of specific successive wall deformations in alternate directions, applied to a tubular geometry. Those deformations help modifying the flow structure and thus its heat transfer and mixing properties. One of the main aims of the study is to apply those deformations to multifunctional exchangers which are heat exchangers and chemical reactors at the same time. The study is mainly focused on laminar flows and all the numerical calculations were performed using the CFD code ANSYS Fluent. The first step of the study is to assess the secondary flow created by the wall deformations. The influence of several deformation geometrical parameters has also been studied. In order to enhance the mixing in the deformed tube, the wall deformations have been applied to coaxial configurations (often used in the industry). Two kinds of annular configurations have been evaluated. At first, the wall deformations are applied to the external and internal walls of the coaxial tube. The effect on the heat transfer enhancement of the longitudinal and angular phase-shifting between the two deformations has been specifically assessed. The second configuration considered combines the alternate deformations on its external walls and a swirled internal wall. This particular annular configuration creates chaotic advection in laminar flows, therefore helping increasing the mixing. This geometry is used as a solar captor and helps increasing the global performances when compared with a smooth tube usually used. The last part of the presented work is focused on the experimental validation of the numerical results. Techniques such as PIV and LDA are used to measure local velocity fields in a plane duct with alternate deformations applied to its lower wall.

L’étude des processus physiques d’un système d’upwelling est essentielle pour comprendre sa variabilité actuelle et ses changements passés et futurs. Cette thèse présente une étude interdisciplinaire du système d’upwelling côtier à partir de différentes données acquises par satellite, l’accent étant mis principalement sur le système d’upwelling d’Afrique du Nord-Ouest (NWA). Cette étude interdisciplinaire aborde (1) le problème de l’identification et de l’extraction automatiques du phénomène d’upwelling à partir d’observations satellitaires biologiques et physiques. (2) Une étude statistique de la variation spatio-temporelle de l’upwelling de la NWA tout au long de son extension et de ses différents indices d’upwelling. (3) Une étude des relations non linéaires entre le mélange de surface et l’activité biologique dans les régions d’upwelling. (4) études lagrangiennes de tourbillons cohérents; leurs propriétés physiques et identification automatique. (5) L’étude des transports effectués par les tourbillons lagrangiens de la NWA Upwelling et leur impact sur l’océan. / Studying physical processes of an upwelling system is essential to understand its present variability and its past and future changes. This thesis presents an interdisciplinary study of the coastal upwelling system from different satellite acquired data, with the main focus placed on the North West African (NWA) upwelling system. This interdisciplinary study covers (1) the problem of the automatic identification and extraction of the upwelling phenomenon from biological and physical satellite observations. (2) A statistical study of the spatio-temporal variation of the NWA upwelling throughout its extension and different upwelling indices. (3) A Study of the nonlinear relationships between the surface mixing and biological activity in the upwelling regions. (4) Lagrangian studies of coherent eddies; their physical properties and automatic identification. (5) The study of transport made by Lagrangian eddies off the NWA Upwelling and their impact on the open ocean. [...]