L'objectif de ces travaux est de déterminer l'atténuation des effets d'une explosion sous-marine par un rideau de bulles. Dans ce cadre, une modélisation de la propagation d'un chocdans les liquides à bulles a été développée, basée sur une technique de transition d'échelles.Cette méthode permet la formulation de modèles continus de liquides aérés, dont la mise enoeuvre est aisée et rapide. Nous avons d'abord développé une modélisation pour des liquidesdiphasiques au sein desquels les bulles sont régulièrement réparties dans l'espace, avant deproposer une extension de ce modèle au cas des liquides à bulles présentant des hétérogénéitésde porosité sous la forme d'amas sphériques de bulles. Un modèle de fragmentation des bulleslors du passage du choc a également été développé, basé sur une analyse linéaire de stabilitédes bulles. L'étude a permis d'établir un critère prédictif de fission et de déterminer le nombrede fragments associés. L'ensemble des modélisations proposées a fait l'objet de comparaisonsavec des résultats expérimentaux issus de la littérature. La concordance entre résultats d'essaiset résultats issus de la modélisation démontre les capacités prédictives de l'approche proposée.Cette modélisation a enfin été appliquée au cas de rideaux de bulles soumis à une explosionsous-marine. Une étude de sensibilité sur les paramètres physiques du rideau a été menée, eta permis de confirmer les tendances expérimentales : sous certaines conditions, la dispositiond'un rideau de bulles sous l'eau permet de diminuer de façon très conséquente l'énergie duchoc transmis en aval du rideau. / The present work deals with the modelling of shock wave propagation in bubbly liquids, inorder to assess the damping of underwater explosion by bubble curtains. The modelling is basedon a scale transition technique, which allows to formulate efficient continuum models of bubblyliquids. A modelling of homogeneous bubbly liquids has first been proposed, then extended tothe case of liquids with spherical bubble clusters. A modelling of bubble fragmentation duringshock propagation has also been developed, based on a stability analysis of the bubbles. Thisstudy enables us to establish a criterion for bubble fission and to determine the numberof fragments. The accuracy of the proposed models has been assessed through comparisonwith experimental data of the literature. The agreement between numerical and experimentalresults proves the predictive capabilities of the whole approach. The modelling has then beenapplied to the mitigation of UNDEX-induced shock wave by bubble curtain. A sensitive studyabout physical parameters of the curtain has been performed, and confirms the experimentaltendencies : the use of a bubble curtain can dissipate a significant part of the shock energy.

Cette étude sur la stabilité d’une bulle unique de cavitation acoustique s’inscrit dans le cadre d’un projet ANR démarré en septembre 2009 (SONONUCLICE ANR-09-BLAN-0040-02). Elle se situe dans la continuité des travaux sur l’optimisation du procédé de lyophilisation de produits pharmaceutiques menés par l’équipe « Transferts couplés de matière et de chaleur » du laboratoire LAGEP (ESCPE/UCB, Lyon), équipe porteuse du projet, et des travaux sur la cristallisation assistée par ultrasons du laboratoire RAPSODEE. L’application des ultrasons de puissance dans un liquide produit des milliards de bulles. Ce phénomène est appelé cavitation acoustique. Les bulles formées ne font pas toutes la même taille, leurs oscillations ne sont pas en phase, et leur densité dans le fluide est très inhomogène : ce phénomène très complexe implique donc de nombreuses variables difficiles à isoler. Même si le phénomène est chaotique, la cavitation permet d’observer des effets macroscopiques notables sur la nucléation et la croissance des cristaux de glace dans une solution sous-refroidie. Ces effets sont d’une importance capitale pour des applications de congélation ou de lyophilisation. Bien que les effets des ultrasons présentent des intérêts certains sur la cristallisation, leur origine reste mal connue. L’observation directe des milliards de bulles ne fournit aucune piste sur les mécanismes microscopiques mis en jeu. Afin d’isoler l’acteur essentiel de ces effets, l’étude menée vise à isoler une bulle de cavitation acoustique. Pour cela, une cellule de lévitation carrée en verre a été conçue. Le verre a été retenu comme matériau pour sa rigidité et sa transparence. Dans cette cellule, une onde de pression acoustique est imposée par un piézoélectrique collé à la base de la cellule. Il a été possible de reconstruire la dynamique de la bulle. Les étapes d’expansion, d’implosion et de rebonds sont clairement visibles. En vue de l’étude de la cristallisation, un principe de détection des cristaux a été spécifiquement élaboré. Il repose sur le suivi de la modification de la périodicité de la bulle (mesurée par un microphone) provoquée par l’apparition d’un corps étranger à son voisinage. Une méthode utilisant la corrélation de signaux acoustiques du microphone filtré à la fréquence d’excitation du PZT et les harmoniques du signal du microphone directe a été développée. Elle permet de connaître le régime d’oscillation de la bulle et de détecter toutes les modifications de sa dynamique. Des expériences de perturbation de la bulle ont été menées à l’aide d’une micro fibre de 7 μm. Le principe de détection est alors mis en oeuvre pour déclencher l’enregistrement d’images par une caméra rapide lors des derniers instants d’existence de la bulle. Cette méthode devrait permettre de détecter l’apparition des premiers cristaux au voisinage de la bulle. Autour de la cellule de lévitation, différents systèmes ont été développés. Un système de dégazage et de remplissage de la cellule de cavitation ont permis de travailler avec de l’eau ayant des teneurs en gaz dissous de l’ordre de 20 % de la saturation. Un système d’éclairage avec une LED de puissance et un jeu de lentilles optiques a été conçu pour visualiser correctement la bulle. / This study of the stability of an acoustic cavitation bubble is part of an ANR project started in September 2009 (SONONUCLICE ANR-09-BLAN-0040-02). It takes place in the continuity of the works on the optimization process of lyophilisation of pharmaceutical products conducted by the “Transferts couplés de matière et de chaleur” team of LAGEP (ESCPE/UCB, Lyon) laboratory, which is the project’s team leader, and the studies of ultrasound-assisted crystallization in the RAPSODEE Centre. The application of power ultrasound into liquids produces thousands of bubbles. This phenomenon is called acoustic cavitation. The bubbles formed don’t have the same size, their oscillations are not in phase, and their spatial density in the fluid is not homogeneous: this phenomenon is very complex and involves multiple variables very difficult to isolate. Even if this phenomenon is chaotic, it allows to observe macroscopic effects on the nucleation and crystal growth of ice in undercooled solutions. These effects have a capital importance for industrial applications such as freezing and lyophilisation (also called freeze drying). Although ultrasound has a noticeable influence on crystallization, the origin of these effects remains unclear. The multi-bubble approach doesn’t give any hint on the microscopic mechanisms involved. In order to isolate the main actor of these effects, this study aims at isolating a single cavitation bubble. To do that, a cubic levitation cell made of optical glass was build. In this cell, an acoustic pressure is applied by a piezoelectric glued to the bottom’s external face of the cell. With this cell is possible to rebuild all the oscillations states of the bubble, and in combination with our optical system we can see the bubble’s dynamics and its stages like: expansion, collapse and rebounds. For the crystallization part of this study, a crystal’s detection system was developed. It is based on the variations of the bubble’s periodicity (measured by a microphone pill) introduced by the sudden appearance of a foreign body in its vicinity. This method requires the correlation of the signals from a filtered microphone and the harmonics signals from a microphone, in order to known the oscillation state of the bubble and detect variations on the bubble’s dynamics. Experiments of bubble perturbations by a thin wire were made. The detection system was used to trigger the image recording of a fast camera, in order to capture the final moments of the bubble. This method should be allowing the early detection of new crystals in the proximity of the bubble. Around the levitation cell, various systems have been developed. A degassing and filling system for the cavitation cell allow us to work with degased water around the 20 % of its saturated concentration of air. An illumination system based in a power LED and a set of optical lenses was used to view the bubble correctly.

La thèse porte sur l’étude de l’influence des textures sur le mouillage et la propulsion. Trois situations ont été considérées, selon la taille des textures utilisées.Des textures nanométriques hydrophobes permettent d’obtenir des surfaces aérophiles. Lorsque ces surfaces sont immergées dans un bain, elles restent recouvertes d’un fin film d’air et ouvrent toute une classe de nouveaux problèmes de mouillage, où les interfaces gaz – liquide sont inversées par rapport aux situations traditionnelles. Nous avons décrit l’étalement d’une bulle d’air sur une surface aérophile, la dépression capillaire ou encore la dynamique de bulles sur des fils.En situation de lévitation, des textures de l’ordre du millimètre permettent de rediriger efficacement le flux d’air qui sépare un objet de son support. L’écoulement étant contrôlé, une direction privilégiée peut être choisie et l’objet se trouve alors efficacement propulsé. Selon l’emplacement des textures, un entrainement visqueux ou une propulsion par effet fusée peuvent être observés.Sur des créneaux millimétriques recouverts de nanotextures hydrophobes, l’eau est en situation non-mouillante. Il suffit d’une toute petite inclinaison de la surface pour qu’une goutte dévale, et elle atteint rapidement des vitesses importantes puisque la friction est très faible. La présence des macrotextures sur la surface permet de ralentir considérablement la goutte : l’étude a porté sur l’optimisation du contrôle d’une goutte, éventuellement visqueuse. / This thesis deals with the influence of textures on wetting and propulsion. Three situations have been considered, depending on the texture size.Aerophilic surfaces can be obtained with hydrophobic nanometric structures. When immerged in a liquid bath, these surfaces remain covered by a thin plastron of air. This oppens a new class of problems where gas – liquid interfaces are exchanged, compared to usual studies. We described the spreading of an air bulle over an aerophilic surface, capillary depression and the dynamics of a bubble on a wire.Millimetric sutructures allow an efficient redirection of the air cushion between a levitating object and its substrate. Because the flux is controlled, a specific direction can appear, and the object is efficiently propelled. Depending on the textures location, viscous entrainement or rocket effect can be the propulsive mechanism.Hydrophobic nanotextures are used to generate non-wetting situation of water. A tiny angle of tilt of the surface is enough to see a drop mouving; its velocity is high because of the low friction. Macrotextures, as millimetric crennels slow down very efficiently the drop: the study optimized the control of the drop (possibly viscous) motion.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail est consacré à l'étude expérimentale des écoulements diphasiques et triphasiques d'inclusions (bulles, gouttes, sphères) en milieux tant newtoniens que non newtoniens à l'échelle microscopique et mésoscopique, en utilisant la visualisation par une caméra rapide, la vélocimétrie par images des particules (PIV) ainsi que la micro-vélocimétrie par images des particules. Des bulles et des gouttes ont été étudiées expérimentalement depuis leur formation, en passant par leur déformation jusqu'à leur coalescence. La formation de bulles dans des micro-mélangeurs a été étudiée et caractérisée par l'obtention de champs de vitesses. Différents paramètres, tels que le cisaillement, la géométrie de la zone de formation, les débits ou encore les propriétés physiques ont été testés afin de développer des lois d'échelles. La traversée d'une interface liquide-liquide par une inclusion a été abordée par des expériences originales, permettant de décrire la dynamique du phénomène, de définir des nombres adimensionnels et de mettre en évidence des instabilités interfaciales. L'effet Weissenberg a également été étudié aux différentes échelles afin de comprendre les phénomènes conduisant à son amplification. Enfin, en milieu viscoélastique et rhéofluidifiant, nous avons caractérisé l'écoulement autour d'une inclusion isolée solide par l'obtention de champs de vitesses. Ces résultats ont permis de confirmer l'origine viscoélastique du sillage négatif et de prédire ses caractéristiques / The present work was devoted to the experimental study of the multiphase flow around inclusions in both Newtonian and non-Newtonian media at respectively microscopic and mesoscopic scales, by means of the Particle Image Velocimetry (both PIV and µ-PIV) and fast camera visualization. Bubbles and drops were experimentally studied starting from their formation, the rising and up to their coalescence and fragmentation. Bubble formation in micro-mixers was also investigated and characterized by measuring the liquid velocity fields. Different parameters, such as the shear rate, the geometry of the micro-mixer, the flow rates or the physical properties were tested to develop correlations of power-law kind. The deformation of a liquid-liquid interface due to the passage of an inclusion was investigated by original experiments in order to observe and describe the dynamics of the phenomenon, to define the reliable dimensionless numbers and also to highlight several interfacial instabilities. The Weissenberg effect was also studied at different scales in various non-Newtonian fluids in comparison with Newtonian fluids to understand the amplification phenomena under the combining effects of instability and normal forces. Finally, the flow around an isolated solid inclusion was characterized by performing the measurements of velocity fields in viscoelastic and shear-thinning fluids. These results were used to confirm the viscoelastic origin of the negative wake behind the solid sphere and to model its characteristics

Ce travail vise à développer une approche originale à micro et à méso-échelle pour étudier divers phénomènes et intensifier les performances du réacteur. A méso-échelle, l'accent est mis sur l'efficacité de la production de biogaz dans un réacteur anaérobie 2D sous différentes conditions hydrodynamiques ainsi qu’à différentes concentrations de substrat. Puis, dans un dispositif microfluidique transparent, une seule granule de différentes tailles a été utilisée sous différentes conditions d'exploitation. Les effets des différentes conditions hydrodynamiques et des concentrations de substrat associés à la taille et la densité des granules de boues sur la production de biogaz ont été étudiés / The present work is focused on developing an original micro to mesoscale approach to investigate various phenomena and then to intensify the performance of a reactor. At mesoscale, the emphasis is given to the interactions between granular sludge particles as well as the biogas production efficiency in a 2D reactor under various hydrodynamic conditions at different concentrations of substrate. Then, within the microdevices, a single sludge particle of various sizes was used under different operating conditions such as superficial liquid velocity and concentration of substrate. The effect of different hydrodynamic conditions and concentration of substrate was studied

La cavitation peut avoir lieu dans les turbines hydrauliques. Ce phénomène se produit lorsque les bulles de vapeur s’effondrent à proximité de la surface de la machine. Ceci entraîne des conséquences négatives, telles que l’érosion, affectant ainsi les performances de la machine. L’effondrement d’une bulle de gaz non-condensable dans l’eau est simulé en utilisant la méthode sans maillage SPH-ALE, qui intègre un modèle pour simuler les écoulements compressibles et multiphases. Le modèle résout les équations de conservation de masse, de quantité de mouvement et d’énergie du système d’Euler, en utilisant l’équation d’état de Stiffened Gas pour l’eau et l’équation d’état de gaz parfait pour le gaz non-condensable à l´ıntérieur de la bulle. Les deux phases sont modélisées comme compressibles et le changement de phase n’est pas considéré. La caractéristique sans maillage de la méthode SPH-ALE permet le calcul des écoulements diphasiques où l’interface est nettement définie. Pour les applications de cavitation, où le nombre de Mach atteint des valeurs de 0.5, la distribution de particules doit être corrigée. Cela est réalisé grâce à la fonctionnalité ALE. Le modèle compressible a été validé à l’aide de configurations monodimensionnelles, comme le cas du tube à choc pour des écoulements monophase et multiphases. L’effondrement de la bulle près d´une paroi a été abordé comme le mécanisme fondamental qui produit des dégâts. Son comportement général se caractérise par la formation d’un micro jet d’eau et par l’effondrement de la bulle sur elle-même. Le phénomène est analysé en tenant compte des principaux paramètres qui le régissent, comme la distance initiale entre le centre de la bulle et la paroi (H0), la taille de la bulle (R0) et le taux de pression qui entraîne l’effondrement (pw/pb). Il est démontré que l’intensité de l’effondrement dépend principalement du rapport de pression entre le liquide et la bulle (pw/pb). De plus, quatre indicateurs, comme la pression en paroi, l’impulsion, la pression du coup de bélier et la vitesse du micro jet d’eau, servent à déterminer le chargement. Cette analyse indique qu’une bulle initialement située à une distance inférieure à H0/R0 = 2 présente un haut potentiel d’endommagement. Afin de prédire cet endommagement, la mécanique du solide est analysée à l’aide de simulations d’interaction fluide-structure. On obtient que le matériau réagit aux charges hydrauliques en ayant des zones de compression et de traction. Ceci suggère qu’un mécanisme de fatigue entraîne le phénomène d’endommagement. En plus, on constate que les contraintes les plus importantes sont situées sous la surface du matériau, indiquant que cette zone peut être sujette à une déformation plastique. / Hydraulic turbines can experience cavitation, which is a phenomenon occurring when vapor bubbles collapse in the vicinity of the machine’s surface. This phenomenon can lead to negative consequences, such as erosion, that affect the machine’s performance. The compression of a non-condensable gas bubble in water is simulated with the Smoothed Particle Hydrodynamics method following the Arbitrary Lagrange Euler approach (SPHALE), where a compressible and multiphase model has been developed. The model solves the mass, momentum and energy conservation equations of the Euler system using the Stiffened Gas EOS for water and the ideal gas EOS for the non-condensable gas inside the bubble. Both phases are modeled as compressible and the phase change is not considered. The meshless feature of the SPH-ALE method allows the calculation of multiphase flows where the interface is sharply defined. For cavitation applications, where the Mach number reaches values of 0.5, the distribution of particles must be corrected, which is achieved by the ALE feature. The compressible model was validated through monodimensional configurations, such as shock tube test cases for monophase and multiphase flows. The bubble compression close to the wall has been addressed as the fundamental mechanism producing damage. Its general behavior is characterized by the formation of a water jet and by the collapse of the bubble by itself. The phenomenon is analyzed by considering the major parameters that govern the bubble collapse dynamics, such as the initial distance between the bubble center and the wall (H0), the bubble size (R0), and the collapse driven pressure ratio (pw/pb). It is shown that the intensity of the collapse depends mainly on the pressure ratio between the liquid and the bubble (pw/pb). As well, four indicators, such as the pressure at the wall, the impulse, the water-hammer pressure and the water jet velocity, are used to determine the loading. This analysis gives that the bubble initially located at a distance lower than H0/R0 = 2 presents high potential to cause damage. In order to predict the damage due to the bubble collapse, the solid mechanics is analyzed through fluid-structure interaction simulations. It is obtained that the material reacts to the hydraulic loads by having compression and traction zones, suggesting that a fatigue mechanism drives the damage phenomenon. Additionally, it is found that the highest stresses are located below the material surface, indicating that this zone may reach plastic deformation.

Chaque année, le nombre de demandeur d’organe augmente en France comme dans le reste du monde. Pour combattre ce fléau, il existe aujourd’hui des technologies permettant d’imprimer du vivant, telle que la Bioimpression Assistée par Laser (LAB). Robuste et précise, cette méthode s’appuie sur les propriétés d’interaction laser-matière pour éjecter une bio-encre constituée de cellules vivantes. Pour éviter l’utilisation d’une couche absorbante sacrificielle, généralement utilisée, on focalise directement un faisceau laser dans la bioencre afin de générer un plasma puis une bulle de cavitation. La position de cette bulle est essentiellement maitrisée pas la longueur d’onde, et sa taille est gérée par l’énergie et la durée d’impulsion du laser. Ce sont les facteurs clés pour maîtriser l’éjection de matière biologique. Cependant, l’inhomogénéité locale apportée par les cellules perturbe l’impact du laser et donc la reproductibilité des jets, mais une fois imprimées, ces cellules sont viables et permettent de reconstruire des tissus vivants. / Every year, the transplant waiting list gets bigger in France as in all over the world. To fight this curse, Bioprinting makes organ printing possible, especially with Laser Assisted Bioprinting (LAB). Robust and precise, this method use laser-matter interaction to eject a bioink made of living cells. To avoid the use of absorbing sacrificial layer, we directly focalize a laser beam into a living cells bioink, to create a plasma then a cavitation bubble. Its position, which is mainly driven by laser wavelength, and its size, managed by the energy and pulse duration, are the most important keys to control liquid jet ejection. However, the laser energy deposition and jet ejection is disturbed because of cells local concentration disparity, but when cells are printed, they are still viable and able to reconstruct living tissues.

Trois magmas (haplotonalite synthétique, basalte et dacite de Santorin) ont été juxtaposés et déformés à l’aide d’une presse de type Paterson pour contraindre les conditions de mélange de magmas à haute pression (300 MPa). Ces trois magmas ont été utilisés en conditions sèches ou hydratées et dans une gamme de température comprise entre 600 et 1200°C, permettant d’obtenir plusieurs fractions cristallines et contrastes de viscosité. Les textures de mélange produites lors des expériences dépendent de la fraction cristalline et sont similaires aux textures rencontrées dans la nature. Les textures de mélange mécanique (mingling) produites sont la ségrégation de cristaux depuis leur magma source, la formation d’enclaves par détachement et de filaments par étirement de parcelles de magma. Le mélange chimique (mixing) est illustré par des zones d’interactions comportant une large variété de liquides intermédiaires et la cristallisation de nouvelles phases. Le mélange est produit en l’absence d’une charpente cristalline dans l’un ou l’autre des magmas, si le contraste de viscosité est faible (< 0,3 unité log) et en dessous d’un seuil de viscosité absolue, déterminé entre 107 et 108 Pa.s. Par ailleurs, l’eau joue un rôle important sur les propriétés rhéologiques des magmas, et donc sur leurs capacités de mélanges : elle abaisse le seuil de mélange de près de 200°C entre des magmas saturés en eau, et son exsolution (présence de bulles) entraîne une réduction significative des viscosités promouvant le mélange à des fractions cristallines plus faibles. Les conditions rhéologiques favorables aux mélanges entre le magma d’un réservoir et un magma plus chaud qui le recharge ont été déterminées selon la fraction de magma injecté. Cette fraction est de 0,5 minimum pour la majorité des réservoirs typiques du contexte d’arc. La comparaison avec des systèmes plutoniques et volcaniques exposant des figures de mélange montre que les conditions favorables aux mélanges sont atteintes avec des fractions inférieures. Ceci suggère que le fonctionnement d’un réservoir magmatique est influencé par ses styles et taux de recharge, ainsi que la quantité de volatils. / Three magmas (a synthetic haplotonalite, a basalt and a dacite from Santorini Volcano) have been deformed together at P=300 MPa in a Paterson type apparatus to constrain the mixing capacities between chemically contrasted magmas. Both dry and hydrous conditions were investigated at temperatures varying between 600 and 1200°C to vary magma crystallinity and visc osity contrasts. Mingling and mixing features were produced, which closely resemble those encountered in nature. Mingling features are xenocrysts, enclaves, and melt filaments. Diverse intermediate liquids and newly grown crystals characterize the mixing textures. Both mixing and mingling features were produced after crystal network breakage, at low viscosity contrasts (less than 0.3 log unit) and bulk viscosities lower than 107 – 108 Pa.s. The presence of water considerably affects the rheological properties of magmas and their mixing capacities: water-saturated magmas are able to mix at temperatures 200°C colder than their dry equivalent, and bubbles may influence the viscosity contrast leading to mixing at lower crystal fractions. Rheological conditions favourable to magma mixing between the resident magma in the reservoir and a hot replenishing one were determined according to the injected mafic magma fraction. The minimum fraction of mafic magma for mixing is 0.5 for typical arc magma chambers. The comparison with plutonic and volcanic rocks displaying mixing features shows that mixing may, however, occur at lower fractions. This suggests that reservoir dynamism may depend on the style and the frequency of the injection rate, and the amount of volatiles.

L'objet de cette thèse est d'étudier expérimentalement et théoriquement les régimes permanents et oscillants observés lors de la vidange et du remplissage de réservoirs. La première partie concerne l'étude de la vidange continue d'un tube par l'intermédiaire d'une bulle infinie (bulle de Dumitrescu-Taylor). L'étude expérimentale de la dynamique de ces bulles est menée en fonction de la forme de la section du tube, de la viscosité et de la tension de surface. Dans le domaine des grands nombres de Reynolds, la longueur pertinente pour l'étude de la dynamique s'avère être le périmètre mouillé tandis qu'`a faible nombre de Reynolds, c'est la surface de la section qui pilote la dynamique. La seconde partie est consacrée `a l'étude aux temps longs (régime permanent) du remplissage et de la vidange de réservoirs cylindriques. On montre expérimentalement que les bulles infinies jouent un rôle central dans les processus de vidange et de remplissage de réservoirs. Le temps court des oscillations, i.e. la période d'apparition des bulles d'air, est ensuite étudié dans les deux configurations vidange-remplissage. Dans le cas de la vidange, le rôle de la poche d'air compressible présente au fond du tube est mis en évidence ; ce phénomène s'apparente au "glouglou" de la bouteille que l'on vide. Dans le cas du remplissage, on montre la présence d'un oscillateur de nature différente.