Les colonnes à bulles sont utilisées en minéralurgie et en traitement des eaux pour capturer différents types de particules. Leur capacité d’échange bénéficie aujourd’hui d’un regain d’intérêt pour assurer la production de micro-algues destinées à un usage médicinal, alimentaire, ou énergétique : les concentrations d’oxygène et de dioxyde de carbone peuvent être contrôlées grâce à la considérable aire interfaciale gaz-liquide dans la colonne à bulles. Une étude expérimentale en boucle fermée a été menée pour simuler le passage du gaz dans une succession de colonnes en série. Le modèle théorique associé confirme le rôle critique du diamètre des bulles lors du transfert de masse. Un générateur de micro-bulles (MBG) innovant a été conçu et testé. Le prototype est capable de produire des micro-bulles d’un diamètre moyen Dbubble = 0.252 mm. L’invention a été officiellement déclarée. Le dernier chapitre a pour objet l’amélioration des méthodes de traitement de Fluorescence Induite par Plan Laser (PLIF), qui permettent d’obtenir les coefficients de transfert de masse kl. La première correction présentée prend en compte les variations de l’extinction de la fluorescence due au pH pendant la calibration et a été évaluée sur une mesure de concentration de CO2 dans le sillage d’une bulle en ascension libre dans une colonne d’eau. La seconde correction proposée doit être appliquée quand la distance de la région de mesure où les variations de pH sont observées augmente. La nécessité de cette correction a été illustrée par un cas test dans le sillage d’un nuage de bulles en ascension libre dans une colonne d’eau / Bubble column are involved in many industrial fields ranging from chemical industry to mineral processing. It recently became an industrial stake for the production of micro-algae intended for medicinal use, food or energy: the oxygen and carbon dioxide concentrations can be controlled via the efficient mass transfer induced by the significant gas-liquid interfaciale area into the bubble column. Firstly, experimental closed-loop study has been carried out to simulate the passage of gas in a succession of columns in series. The associated theoretical model confirms the critical importance of the bubble diameter for mass transfer.Therefore, an innovative Micro-Bubble Generator (MBG) has been designed and tested. The prototype is able to produce micro-bubbles of average diameter Dbubble = 0.252 mm. The invention has been officially declared. The last chapter aims at improving data treatment methods for Planar Laser-Induced Fluorescence (PLIF), which enables to obtain experimentally mass transfer coefficient kl through concentration measurements. The first presented correction takes into account variations of the fluorescence extinction due to pH during the calibration step, and has been evaluated on CO2 concentration measurement in the wake of a free rising bubble. The second proposed correction should be applied when the length in the measurement region over which pH variations are observed increases: variations of the extinction coefficient will affect the local incident light intensity and therefore the measurements. The need for this correction has been illustrated on a test case in the wake of a cloud of free rising bubbles

Intercaler une phase intermédiaire (gazeuse ou granulaire) entre une goutte et une surface crée une situation de mouillage nul. Nous étudions expérimentalement les conséquences de la présence de cette phase sur le mouvement des gouttes d'eau. Dans une première partie, nous nous intéressons à des situations de non-mouillage induites par la présence d'un film gazeux entre le liquide et la surface. Une conséquence de la présence de ce film est la mise en mouvement d'une goutte en caléfaction sur une surface chaude de profil périodique et asymétrique (en forme de toit d'usine). Nous mettons en évidence que l'écoulement asymétrique du gaz dans le film de vapeur entre la goutte et la surface provoque la propulsion de la goutte par effet fusée. À l'inverse, la faible épaisseur du film isolant peut induire une dissipation visqueuse supplémentaire que l'on observe par exemple lors du rebond d'une bulle de savon sur un liquide. La deuxième partie de ce travail est consacrée à une autre situation de non-mouillage réalisée par l'ajout de grains à la surface d'une goutte (appelée goutte enrobée). On forme alors une interface composite, à la fois capillaire et granulaire qui peut présenter un caractère fortement dissipatif : lorsque la densité de grains est faible, son comportement est celui du liquide qui la compose mais lorsque la densité de grains à la surface approche des densités du jamming, caractère granulaire de l'interface l'emporte. Le frottement entre grains détermine alors la forme ainsi que la dynamique des gouttes enrobées. Nous montrons que la rhéologie de ces interfaces est alors similaire à celle des écoulements granulaires denses.

La thèse porte sur l'étude de la réduction de traînée par injection de bulles. La réduction de traînée présente un intérêt pour les applications navales puisqu'elle est issue d'une modification des structures cohérentes qui contribuent le plus à la résistance à l'avancement. Le but de cette étude est d'analyser les mécanismes à l'origine de cette diminution du frottement pariétal. L'approche utilisée dans le cadre de cette étude est numérique, elle emploie le code JADIM par une approche Euler-Lagrange : la phase continue est simulée par Simulation Numérique Directe et la phase dispersée est simulée en suivant individuellement chaque bulle. La configuration retenue dans le cadre de cette étude est celle de l'écoulement de Taylor-Couette (écoulement compris entre deux cylindres en rotation). La première partie de la thèse vise à adapter l'outil numérique employé, afin de pouvoir prendre en compte le retour de la phase dispersée via des termes de forçage dans les équations bilan de matière et de quantité de mouvement. La deuxième partie de la thèse vise à étudier l'écoulement porteur en configuration monophasique, afin de disposer d'une référence sur l'écoulement non perturbé. La troisième partie de la thèse a pour objectif d'étudier la dispersion passive des bulles dans le système, afin d'analyser les mécanismes de migrations mis en jeu. Enfin la dernière partie de la thèse vise à étudier l'influence des bulles sur l'écoulement porteur en analysant l'effet de certains paramètres, notamment le taux de vide et la flottabilité. / The study deals with drag reduction induced by bubble injection, its application concerns naval transport. The aim of the study is to shed more light on mechanisms that are involved in this wall friction reduction. The study is based on a numerical approach, and use the JADIM code with an Euler-Lagrange approach: the continuous phase is solved by Direct Numerical Simulation, and the disperse phase by a tracking of each bubble. Within the framework of this study we consider the Taylor-Couette flow configuration (flow between two concentric cylinders in rotation). The first part of the study deals with the modification of the numerical tool, in order to take into account the influence of the disperse phase on the continuous one through forcing terms in the mass and momentum balance equations. The aim of the second part is to study de Taylor-Couette flow in its monophasic configuration, for the purpose of providing a reference of the undisturbed flow. The third part deals with the passive dispersion of bubble in Taylor-Couette flow, in order to analyze the migration mechanisms involved. And the aim of the last part is to study the effects of the disperse phase on the continuous one, by analyzing the influence of bubbly phase parameters (like void fraction and buoyancy).

Cette thèse est consacrée à l’étude des bulles d’hélium dans le silicium. Dans un premier temps, des simulations atomistiques de type dynamique moléculaire (DM) ont été réalisées afin d’étudier les propriétés physiques d’une bulle nanométrique : densité et pression d’hélium en fonction du diamètre de la bulle et de la quantité d’hélium initialement introduite dans la bulle. Nos calculs ont montré que la déformation plastique de la matrice ne permettait pas de dépasser une valeur de densité d’hélium nettement inférieure aux résultats expérimentaux. En modélisant un système plus réaliste, un excellent accord avec les mesures expérimentales a été retrouvé. Nous avons aussi montré que le choix du potentiel interatomique était capital afin de modéliser des bulles sous fortes pressions. En outre, nos résultats ont montré que la loi de Laplace-Young n’était pas adaptée pour prédire la pression dans les bulles d’hélium dans du silicium. Enfin, l’étude de l’état de l’hélium dans la bulle indique que l’hélium peut être sous forme solide à 300 K, du fait des pressions élevées. Dans un second temps, une approche de type dynamique d’amas (DA) a été employée afin de comprendre les premiers stades d’évolution des bulles. Nous avons construit un modèle applicable à la DA à l’aide d’un grand nombre de calculs DM. Une étude paramétrique a ensuite été réalisée. Ceci nous a permis d’étudier les mécanismes de croissance des bulles, en prenant en compte l’influence de l’hélium et la présence ou non d’une source continue de défauts. / This thesis is devoted to the study of helium bubbles in silicon. First, molecular dynamics (MD) simulations were performed in order to study the physical properties of a nanobubble: helium density and pressure as a function of the bubble diameter and of the initial helium quantity introduced in the bubble. A maximum value of the helium density in the bubble is reached due to the plastic deformation of the matrix; this value is significantly lower than the experimental results. By modelling a more realistic system, an excellent agreement with the experimental measurements is found. Moreover, the choice of the interatomic potential is essential to model the properties of bubbles under high pressure. Further, the Laplace-Young law is not appropriate to predict the pressure in helium bubbles in silicon. In addition, the investigation of the helium configuration in the bubble indicates that helium can be in the solid state at 300 K. In a second part, a cluster dynamics (CD) approach was employed to understand the early stages of bubble evolution. A helium in silicon interaction model to be used in CD was built by means of a large number of MD calculations. A parametric study was then performed taking into account the influence of helium and the presence or not of a continuous source of defects and allowing for the study of the mechanisms of bubble growth.

Le procédé Solvay génère d’énormes quantités de saumures résiduaires au pH alcalin contenant portlandite, brucite et silicates de calcium hydratés. La carbonatation conduit à un abaissement du pH, ce qui favorise la formation de deux phases majoritaires : la calcite et le gypse. L’objectif de la thèse est de valoriser les saumures résiduaires carbonatées par séparation des phases en colonne de flottation. L’étude de la carbonatation en réacteur batch, puis en colonne de carbonatation pilote montre qu’il est préférable de ne pas carbonater les saumures résiduaires jusqu’à l’équilibre thermodynamique. En effet, la mise en solution de métaux lourds intervient à partir d’un pH de l’ordre de 7,5, ce qui limiterait les rejets des saumures dans l’environnement. En outre, une carbonatation brusque et incomplète est souhaitable pour une meilleure séparation des phases par flottation. Les essais de flottation réalisés sur une colonne de 7,6 cm de diamètre et de 3 m de haut ont montré une faisabilité de la séparation des deux minéraux calciques avec l’oléate de sodium comme collecteur malgré une abondante littérature incitant à la prudence. La différence entre la taille des particules de carbonates et celle des particules de sulfates et leurs hydratations de surfaces, ainsi qu’une force ionique élevée du milieu permettent une bonne séparation des phases. Une étude des saumures synthétiques permet de mettre en évidence le rôle des cations métalliques (nature, rayon, charge…) sur la coalescence des bulles dans les conditions dynamiques et dans un milieu à forte force ionique. Une étude des paramètre de fonctionnement effectué sur une colonne de 30,5 cm de diamètre et de 10 m de haut ont permis la modélisation du procédé de flottation en colonne dans le but de proposer une procédure de dimensionnement du procédé industriel. La confrontation des résultats de simulation aux résultats réels permet la détermination des intensités des microprocessus de flottation (attachement/détachement), et conduit à la proposition d’une installation industrielle avec deux colonnes de flottation en série / Solvay process generates huge amounts of waste brines at alkaline pH containing portlandite, brucite and calcium silicate hydrates. Carbonation leads to lowering of pH which favors formation of two predominant phases: calcite and gypsum. The aim of this thesis is to develop carbonated waste brines valorization by phase separation in flotation column Study of carbonation in a batch reactor and in a carbonation pilot column shows it is preferable not to carbonate waste brines until thermodynamic equilibrium. Indeed dissolution of heavy metals occurs from a pH of about 7.5 thereby limiting discharge of brines in the environment. In addition, a sudden and incomplete carbonation is appropriate for phase separation by flotation. Flotation tests carried out in a 7.6 cm diameter and 3 m high column showed feasibility of the separation of the two calcium minerals using sodium oleate as a collector despite abundant literature for caution. The differences between the particle size of carbonates and sulfates and their surface hydration, as well as the high ionic strength of the medium allow an efficient separation of phases. Study of synthetic brines highlights the role of metal cations (nature, radius, charge…) on bubble coalescence in dynamic conditions in an environment with high ionic strength. Study of operation parameter performed on a 30.5 cm diameter and 10 m high column enabled the modeling of the column flotation process in order to provide a scale-up procedure of industrial process. Comparison of simulation results with actual results allows the determination of intensities of flotation subprocesses (attachment/detachment), and led to the proposal of an industrial plant with two flotation columns in series

Pour augmenter le taux de récupération du pétrole, une des solutions chimiques utilisées consiste à injecter des mousses dans les milieux poreux. En effet, les mousses permettent sous certaines conditions de diminuer la mobilité et ainsi d’améliorer le balayage du réservoir. Cependant, les mécanismes contrôlant la mobilité des mousses ne sont pas bien compris. Nous proposons une approche microfluidique permettant une observation directe de l’écoulement des bulles dans un micromodèle de milieux poreux. Nous observons que l’écoulement n’est pas homogène dans le milieu poreux: il se fait uniquement dans quelques chemins. Le nombre de chemins préférentiels dépend de la qualité de la mousse et du nombre capillaire. Si nous simplifions le milieu poreux à une boucle, nous montrons que la formation des chemins préférentiels dépend de la taille de la boucle. En effet, les bulles sont bloquées dans la boucle uniquement quand la taille de la boucle est de l’ordre de grandeur de la taille des bulles. / Crude oil is already usually trapped into heterogeneous porous media. In order to increase the recovery efficiency, one of the chemical solutions consists in injecting foams in porous media to expel oil from the rock. Foam is indeed able in some cases to greatly decrease the mobility, leading to a better sweeping of the reservoir. However, the mechanisms controlling the foam mobility are not well known. We propose a microfluidic approach allowing a direct observation of the flow of bubbles in a model of porous media. We observe that the flow is not homogeneous in the porous medium: it is concentrated in some paths. The number of these preferential paths depends of the foam quality and the capillary number. If we simplify the geometry of the porous medium to a loop, we prove that the formation of preferential paths depends of the size of the loop. Indeed we can only immobilize the bubbles if the size of the loop is around the size of the bubbles.

Ce travail de thèse vise à étudier expérimentalement les mécanismes d'interaction entre les structures de la turbulence et une phase dispersée (gaz ou vapeur) dans une expérience de Taylor Couette avec rotation du cylindre intérieur. Cette étude a été réalisée pour des régimes d'écoulement correspondant aux régimes chaotique (Ta=780), faiblement turbulent (Ta=1000) et turbulent (Ta=4500). La phase dispersée sous forme de bulles, de tailles variées, a été introduite soit par ventilation par agitation de la surface libre, soit par injection associée à une mise en dépression de l'installation. L'intrusion de sondes optiques doubles a permis de caractériser l'arrangement de la phase dispersée (localisation des bulles dans l'entrefer) ainsi que le taux de vide, la taille et la vitesse des bulles. Afin de caractériser la dynamique de l'écoulement, des visualisations couplées à des mesures du champ de vitesse par vélocimétrie Laser Doppler ont été effectuées dans l'entrefer. Des comparaisons fines entre la dynamique du liquide en présence de bulles et celle obtenue en écoulement monophasique ont permis de mettre en évidence les interactions et les mécanismes de couplages ou d'échange entre la structure de l'écoulement et la phase dispersée. En ce qui concerne l'arrangement de la phase dispersée, les résultats ont montré que les bulles de taille millimétrique sont en partie capturées par les cellules de Taylor, une cellule sur deux et en partie localisées dans les zones de jet (outflow) près du cylindre intérieur. Les bulles sub-millimétriques sont essentiellement localisées en région de outflow près du cylindre intérieur mais de manière plus diffuse dans l'entrefer. En ce qui concerne les mécanismes d'interaction entre les bulles et la dynamique du champ de vitesse liquide, il a été montré que les bulles localisées au coeur des cellules contribuent à stabiliser l'écoulement par augmentation de la vorticité alors que les bulles localisées en proche paroi du cylindre intérieur (dans la zone de jet) contribuent à développer la turbulence par augmentation du cisaillement dépendant de la taille des bulles. On a observé globalement un gain d'énergie cinétique turbulente en écoulement diphasique de Taylor Couette principalement dû au travail de cisaillement.

Introduction sur les mémoires. Les bulles magnétiques et leurs fonctions logiques. Réalisations et applications des mémoires à bulles magnétiques. Les organisations de la mémoire à bulles magnétiques. Comparaison des performances des différentes organisations de mémoires à bulles magnétiques.

Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à divers aspects de la propagation d'une onde ultrasonore dans des milieux hétérogènes périodiques et désordonnés.<br /><br />Nous avons tout d'abord conçu et caractérisé des échantillons périodiques, autrement appelés "cristaux phononiques". Ces matériaux se comportent comme des filtres fréquentiels et présentent un grand intérêt technologique et théorique. <br />Nous avons étudié le temps de groupe à la traversée de monocristaux, qui révèle un effet analogue à l'effet tunnel en mécanique quantique. Dans une structure de type Fabry-Pérot constituée de deux cristaux phononiques, nous avons mis en évidence des résonances en transmission. L'étude du temps de groupe montre un phénomène de piégeage de l'onde dans la cavité, analogue de l'effet tunnel résonant. Les résultats obtenus sont confirmés par la modélisation numérique.<br />Par la suite, des expériences de Retournement Temporel dans les cristaux phononiques ont révélé une absence d'hyperfocalisation, caractéristique des milieux désordonnés.<br /><br />Nous avons ensuite cherché à mettre en évidence la diffusion multiple en régime non-linéaire dans les nuages de bulles. A cet effet, nous avons conçu un dispositif expérimental qui nous a permis de générer des populations de bulles relativement stables et contrôlées. Plusieurs méthodes de caractérisation de la fonction de distribution du rayon des bulles ont été mises en oeuvre, et l'une d'elles nous a permis d'estimer la fraction volumique de bulles.<br />Les densités de bulles mises en jeu n'ont pas permis de mettre en évidence un régime de diffusion multiple fort, tandis que l'origine des non-linéarités observées reste incertaine.

Ce travail est consacré au développement d'un outil numérique simulant l'expansion d'une mousse polymère. Un volume de mousse est décrit par un ensemble de bulles de gaz évoluant dans une matrice polymère. Son expansion est provoquée par la surpression du gaz. Un système d'équations décrivant les champs de vitesse et de pression est établi dans le liquide et dans le gaz. Le calcul de la pression du gaz, homogène dans chaque bulle, nécessite de connaître individuellement l'emplacement de chaque bulle: notre approche est multidomaine. Dans un contexte eulérien, chaque domaine est suivi par sa fonction caractéristique, laquelle est solution d'une équation de transport. Cette équation, purement convective, est résolue par une méthode éléments finis espace-temps Galerkin discontinu. Cette méthode est implicite: sa stabilité ne dépend pas du pas de temps. Une technique de r-adaptation de maillage diminue la diffusion liée à la discrétisation, et améliore la description des interfaces. Enfin, le domaine de calcul croît avec les bulles. Cette expansion globale préserve la géométrie du domaine, ainsi que la quantité de liquide contenue dans ce domaine. Cette méthodologie permet de simuler la formation d'une structure cellulaire: le taux de gaz passe de quelques pourcent à 80%, le liquide est piégé entre les bulles, et les cellules adoptent des formes polyédriques. L'approche locale développée est appliquée pour établir l'évolution de la viscosité et de la vitesse d'expansion d'un échantillon de mousse en fonction de sa structure. Un passage micro-macro permet d'utiliser ces lois pour simuler l'expansion macroscopique d'une mousse.