L'une des principales missions de l'Ifremer consiste à étudier les ressources sous-marines et les fonds marins via une flotte océanographique importante, employée à travers le globe. Pour ce faire, les navires sont équipés d'équipements acoustiques de type SONAR afin d'obtenir les informations recherchées dans la colonne d'eau. Dans certaines conditions de navigation, la houle et les mouvements du navire génèrent un entraînement d'air conséquent sous la surface. Des nuages de bulles sont ainsi formés et entraînés sous la carène par l'écoulement. L'interaction entre ces bulles et les ondes acoustiques peuvent entraîner des pertes de données, et par conséquent une diminution importante de la productivité du navire. Les outils permettant l'étude du phénomène sont actuellement limités. Les modèles numériques ne sont pas suffisamment performants, pour simuler conjointement les mécanismes d'entraînement d'air à l'étrave puis l'écoulement dysphasique autour de la carène, et les essais classiques en bassin de traction ne donnent pas entière satisfaction. Dans le cadre de cette thèse, une méthode d'essai spécifique, pour l'étude de ce phénomène, a été développée et mise en place au bassin à houle et courant de l'Ifremer. Cette méthode nécessite la synchronisation entre un générateur de houle et un générateur de mouvement (hexapode), permettant d'imposer les mouvements calculés au préalable par simulation numérique à la maquette. Cette configuration permet d'étudier indépendamment les effets de la houle et des mouvements sur la génération des bulles. L'instrumentation employée permet de filmer et de caractériser l'entraînement d'air à l'étrave de la maquette. Deux mécanismes distincts ont été observés : la génération de bulles par entraînement tourbillonnaire ou par le déferlement de la vague d'étrave. Une méthode de traitement d'image a été élaborée pour analyser ces mécanismes pour de nombreuses configurations d'essais. Une étude paramétrique a été réalisée afin de calculer la fréquence de génération de bulles en fonction de chaque paramètre d'essai. Des mesures PIV de l'écoulement permettent de corréler la dynamique des nuages de bulles et de l'écoulement. L'ensemble des résultats obtenus permet d'apporter des éléments nouveaux pour la compréhension et l'étude du phénomène, avec la perspective d'obtenir un outil fiable facilitant la conception des navires océanographiques. / One of the main assignments of Ifremer is to study the seabed and the resources undersea, through a large oceanographic fleet used across the globe. For that purpose, ships are equipped with different kinds of SONAR (SOund Navigation And Ranging) to obtain the information sought in the water column. In some sea conditions, waves and ship motions generate significant air entrainment below the surface. Bubble clouds are then carried under the hull by the flow. The interaction between these bubbles and the acoustic waves may result in data loss, and therefore in a considerable reduction of the vessel’s productivity. The tools used to study this phenomenon are currently limited : the numerical models are not efficient enough to simulate at a time air entrainment at the bow and the two phase flow around the hull. On the other hand conventional towing tank tests are not entirely satisfactory. During this PhD research work, a specific test method to study this phenomenon has been developed and implemented at the Ifremer wave and current tank. This method requires the synchronization between a wave generator and a movement generator (hexapod) that enables to force the model motions, calculated in advance by numerical simulations. With this configuration, the effects of waves or motions characteristics on the bubbles generation can be studied independently. A complete instrumentation allowed to acquire images sequences to characterize the air entrainment at the bow of the model. Two distinct mechanisms have been observed : the generation of bubbles by vortex shedding or by the breaking bow wave. A post-processing method has been developed to analyse these mechanisms, for many test configurations. A parametric study was performed to calculate the frequency of bubbles generation for each test parameter. PIV measurements allowed to correlate the dynamic of bubbles clouds with the own flow dynamic. The overall results provide new elements for the understanding and the study of the phenomenon, with the final objective of obtaining a reliable tool that facilitates the design of research vessels.

Ce travail de thèse porte sur la modélisation de la cavitation, phénomène par lequel se forment des bulles quasi vide dans un liquide en dépression. L'étude de la cavitation a donné lieu dans la littérature à plusieurs modèles. La quasi totalité de ces modèles font abstraction des interactions entre les bulles et de l'augmentation de la pression qui en résulte dans certaines phases d'évolution de la cavitation, comme l'ont observé expérimentalement Franc et al. (1995) et de Ohl (2002). Dans notre travail nous proposons un nouveau modèle d'évolution de la taille des bulles, dans lequel deux bulles non identiques sont localisées dans un volume en expansion contrôlée. La présence de deux bulles introduit une instabilité dans laquelle l'échange de vide apparaît comme un degré de liberté supplémentaire. Notre modèle inclut la possibilité pour de nombreuses petites bulles de disparaître ou non selon que leur rayon est inférieur ou pas au rayon critique. Selon ce modèle il peut y avoir de nombreux collapses de petites bulles dès l'apparition de la cavitation, ce qui est conforme à l'observation expérimentale d'un bruit dans la zone d'apparition de la cavitation Buogo et al. (2002). Le modèle révèle la pression comme une inconnue du problème pour laquelle nous avons pu mettre en évidence une équation d'évolution indépendante de celle de la masse volumique. La comparaison de la taille des bulles et de la pression en fonction du temps obtenue avec le modèle est en bon accord avec les mesures effectuées en 2002 par Ohl.

Les agents de contraste ultrasonore (ACU) sont des microbulles de gaz contenues dans une enveloppe biocompatible. Injectés par voie intraveineuse, ils permettent d'améliorer le contraste échographique. La mise au point de nouvelles techniques d'imagerie utilisant les ACU nécessite une connaissance fine de leur comportement dynamique. Un état de l'art comparatif des modèles théoriques, illustrés de résultats numériques, a motivé une étude du caractère non linéaire des équations de Rayleigh-Plesset, Hoff, et Marmottant. Les courbes amplitude-fréquence, obtenues à l'aide du logiciel MANLAB suite à la mise sous forme quadratique des équations, révèlent le caractère mollissant d'un ACU et permettent de quantifier l'influence de l'amortissement visqueux et de l'amplitude de l'excitation acoustique sur la réponse d'un ACU. Un modèle éléments finis (COMSOL MultiphysicsTM) est ensuite proposé pour évaluer la fréquence de résonance d'un ACU (dont l'enveloppe est modélisée par un corps viscoélastique) placé soit dans un milieu fluide infini, soit dans un milieu fluide semi-infini (présence d'une paroi rigide). Les résultats obtenus en milieu infini sont en accord avec ceux issus des modèles théoriques, validant ainsi le modèle numérique. Des études paramétriques ont été effectuées afin d'étudier l'influence du rayon de l'objet et des paramètres de l'enveloppe sur la fréquence de résonance. En présence d'une paroi, il a été mis en évidence que plus l'ACU est proche de celle-ci, plus sa fréquence de résonance diminue. Ce comportement est confirmé par les résultats expérimentaux parus récemment dans la littérature.

Les recherches présentées dans cette thèse ont été effectuées au Laboratoire de Métallurgie<br />Physique de l'Université de Poitiers ainsi qu'au sein du groupe Defects in Materials appartenant au<br />Interfaculty Reactor Institute de l'Université Technologique de Delft (Pays-Bas).<br />Les exigences concernant la qualité des matériaux semi-conducteurs utilisés en<br />microélectronique deviennent de plus en plus drastiques. En effet, la présence d'impuretés et de<br />défauts cristallographiques peut fortement modifier les caractéristiques des diodes. Il est donc<br />impératif de les contrôler afin d'améliorer les performances des dispositifs. Des études récentes sur<br />les cavités créées dans le silicium par implantation d'hélium à haute dose suivie d'un recuit à haute<br />température, ont montré que ces dernières peuvent être utilisées pour le piégeage d'impuretés<br />métalliques. Le silicium joue un rôle majeur dans la technologie actuelle des semi-conducteurs.<br />Cependant pour de nouvelles applications, en particulier en milieu hostile, le carbure de silicium<br />semble être un candidat prometteur.<br />Les défauts introduits par l'implantation d'hélium dans le silicium et dans le carbure de silicium<br />ont été étudiés par MET (Microscopie Electronique en Transmission). Des techniques<br />complémentaires comme la desorption d'hélium (THDS) et la DRX (Diffraction des Rayons-X) ont<br />également été utilisées. Nous avons observé que dans le cas d'implantations à forte énergie (MeV),<br />de nombreux défauts étendus de type interstitiel sont crées parallèlement à la formation des bulles.<br />Nous avons montré que la formation des bulles dépend fortement du flux et que le taux de<br />production des lacunes est un paramètre déterminant. Les effets du temps de recuit et de la<br />température d'implantation ont également été étudiés. Dans le carbure de silicium, la formation de<br />bulles se produit dans une zone amorphe et l'évolution en cavités a été étudiée en fonction de<br />divers recuit. Une étude par THDS des précurseurs des bulles est également présentée.

Pour des mousses 2D(et 3D sphériques) sèches à l'équilibre nous montrons une équivalence étoile-triangle. Cette équivalence affirme que chaque bulle ayant trois bulles voisines peut être considérée comme une décoration des prolongements des côtés externes qui la rejoignent. Cette propriété, déjà connue dans une des ses applications, nous la démontrons en utilisant des méthodes de dualisation, de géométrie projective et l'invariance des mousses 2D par homographies. Plus en général, nous prouvons l'invariance par transformations conformes des mousses 2D. En considérant des mousses en incidence normale sur une paroi, nous avons montré comment les lois d'équilibre en 3D impliquent celles en 2D sur la surface de contact. Ces lois nous permettent d'étudier théoriquement les récentes expériences où une mousse monodisperse est mise entre deux plaques de verre courbes non parallèles. Dans la limite de petit interstice, nous relions le profil à l'application conforme observée expérimentalement. La contribution de la courbure des films dans la direction orthogonale aux plaques est décisive pour corriger des prédictions erronées de la géométrie 2D.

Une bulle de gaz dans un liquide est un acteur acoustique important. Par exemple, les bulles d'air créées par les remous d'une rivière sont responsables du bruit caractéristique de ces écoulements. En 1933, Minnaert a proposé un modèle d'oscillateur harmonique simple pour décrire les oscillations d'une bulle d'air dans l'eau. La première partie de cette thèse est dédiée à l'étude de cet oscillateur particulier, qui peut être vu comme une masse d'eau accrochée à un ressort d'air, et au couplage entre plusieurs de ces oscillateurs. Nous présentons un dispositif expérimental original qui permet de piéger une ou plusieurs bulles d'air, à l'aide d'un filet, afin d'étudier la réponse de ce système à une excitation acoustique. L'originalité de notre approche théorique consiste à traiter le nuage de N bulles comme un système d'oscillateurs couplés à N degrés de liberté, ce qui revient à négliger les degrés de liberté associés à la compressibilité de l'eau. Ce modèle rend bien compte des principales observations : l'existence de pics de résonance à basse fréquence et d'une forte atténuation à plus haute fréquence. Le prolongement du modèle au cas de la propagation dans un milieu infini est également présenté. Dans la seconde partie, l'étude de l'excitation paramétrique d'une bulle est abordée. Nous développons un formalisme original, fondé sur les variables de Glauber, propice à l'étude des non-linéarités d'un oscillateur. Une parenthèse sur un système modèle (deux pendules couplés) permet de valider expérimentalement ce formalisme. Nous montrons finalement que l'excitation paramétrique d'une bulle permet de réaliser une conjugaison de phase. Ce mécanisme pourrait être mis à profit pour réaliser des échos de bulles, de façon analogue aux échos de spins utilisés en IRM.

La glace, lorsqu'elle se forme dans les zones centrales des calottes polaires, est surmontée de plus de 100 m de neige et de névé. Au moment, où elle emprisonne dans ces bulles l'air atmosphérique, l'age de cette glace peut dépasser plusieurs milliers d'années. Ce travail contribue à préciser les étapes de cette transformation neige/névé/glace en s'appuyant sur des données de structure de ce milieu poreux et sur une modélisation physique de ces processus. La structure 2D a été caractérisée grâce à une nouvelle méthode, basée sur l'observation en épiscopie coaxiale de la surface sublimée des échantillons. A l'aide de ces données expérimentales et au regard des théories classiques du grossissement normal des grains, le grossissement dans le névé polaire et son influence sur la microstructure ont été étudiés. La densification du névé polaire a été modélisée en utilisant les processus physiques décrits pour le pressage à chaud des céramiques. Notre modèle physique de densification du névé permet de simuler l'ensemble des profils expérimentaux, en mettant en exergue le rôle prépondérant de la densité à la transition neige-névé liée à la compétition entre les mécanismes de déformation plastique. A partir des études sur le grossissement des grains et du modèle de densification, un modèle décrivant la fermeture des pores dans le névé a été construit. Ce modèle physique permet de reproduire l'évolution des courbes expérimentales de porosité fermée et de proposer une explication aux variations géographiques des mesures de teneur en gaz. Enfin, les modèles de densification et de fermeture des pores ont été utilisés pour simuler la transformation de la neige en glace à Vostok pour des conditions climatiques glaciaires. S'appuyant sur ces modélisations du milieu poreux, un modèle de transport des gaz dans les pores, de l'atmosphère aux bulles de la glace, a été élaboré. Un intérêt particulier a été porté à l'évaluation des coefficients de diffusion des gaz atmosphériques dans le névé poreux, qui ont été mesurés en fonction de la porosité ouverte sur deux sites. Le modèle permet de retrouver à partir des scénario atmosphériques la composition de l'air du névé en fonction de la profondeur. Il constitue la première étape d'une déconvolution objective du signal mesuré dans l'air des bulles de la glace en terme de composition atmosphérique.

Ce travail concerne la mesure et la caractérisation du transfert thermique à la paroi externe d'un faisceau de tube de refroidissement inséré dans des colonnes à bulles type " slurry ". La valeur du coefficient de transfert de chaleur est estimée à partir des équations de la chaleur. Une colonne de 0,15 m de diamètre et de 4 m de haut, équipée de deux tubes en U (3 cm de diamètre externe), a été utilisée pour mettre au point la métrologie nécessaire. L'eau a servi de fluide de refroidissement. Le mélange diphasique air-huile Syltherm XLT®, puis le mélange triphasique air-huile Syltherm XLT®-microbilles d'alumine poreuses (dS ~ 80 μm), ont servi de fluides modèles. L'incertitude de nos mesures a été estimée à environ 8 %. En système diphasique, les variations du coefficient de transfert de chaleur avec la vitesse superficielle du gaz ont pu être corrélées par une loi semblable à celle de Deckwer (1980). Cependant, la valeur de la constante de corrélation semble dépendre de l'orientation du faisceau de tubes par rapport à l'axe de la colonne. Un tel comportement n'a jamais été rapporté dans la littérature. L'écart du faisceau à un faisceau idéal (i.e. parfaitement droit et symétrique) peut être un paramètre crucial pour le transfert de chaleur. En système triphasique, la valeur du coefficient ne varie pas de façon significative jusqu'à une concentration massique d'environ 18,8 %, avant de diminuer d'environ 10 % pour une concentration massique de 21,3 %. Ce résultat est surprenant. Les variations rapportées dans la littérature sont en effet souvent contradictoires, mais toujours continues dans la gamme de concentrations testée. La métrologie mise au point a été implantée dans une colonne de 1 m de diamètre et de 5 m de haut, équipée de 24 tubes en U (6 cm de diamètre externe). Celle-ci est jugée représentative d'un réacteur pour le procédé Fischer-Tropsch. Les premiers résultats indiquent que la caractérisation thermique de l'installation sera plus délicate que pour la petite colonne

Thèse doctorat : Sciences pharmaceutiques : Strasbourg 1 : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr. Index.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Thermique : Poitiers : 2008. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 54 réf.