La fonte des flocons de neige nous permet de témoigner d'un phénomène capillaire d'une richesse et complexité inégalée. Dans ce mémoire, nous mettons de l'avant les aspects mathématiques et physiques de ce processus de fusion qui expliquent la convergence des flocons vers la goutte d'eau. À cette fin, nous proposons au lecteur une revue originale de la capillarité pour ensuite incorporer des éléments classiques de la théorie de l'élasticité afin de tenir compte de la déformation de l'interface capillaire par la structure cristalline. Nous montrons en quoi ceci explique la forme de la pellicule d'eau du flocon et les écoulements d'eau le long des dendrites. Par le fait même, ceci nous donne une façon de tenir compte de l'évolution du flocon vers la sphère. Nous terminons en exhibant le rôle de la courbure intrinsèque du substrat de glace en tant que mécanisme de frustration géométrique facilitant la transition de phase. D'un point de vue philosophique, nous montrons la tendance du flocon à atténuer ses différences de courbures au cours de sa fonte.

Thermal management of electronics has become a major challenge in manufacturing and production of high performance electronic chips. Constant rise of computation power requires higher amount of energy and subsequently this energy (in the form of heat) should be transferred out of the computer. Among other solutions, heat pipes are proposed as a means to transfer and eventually remove this excess heat. The main part of a typical heat pipe is the wick which provides a medium for transport of capillary driven flow and evaporation at the vapor-liquid interface. Different materials are proposed as wick for a heat pipe and among them, recently invented Bi-porous metal foams exhibit a very significant performance improve, i.e. high transport limit in comparison with competing materials. By a mainly experimental approach, capillary, wetting and evaporation properties of copper metal foams with different porosities have been investigated. An in depth surface characterization study is done on the foams to identify the role of surface wettability on the capillary performance. It is found for the first time that the hydrophilicity loss of the copper based porous materials when exposed to air is caused by the adsorption of volatile organic compounds and not by copper oxidation. It is also inferred that the reason for high transport limit of the foams compared with other materials is their unique microstructure which has two levels of porosity. This biporous microstructure provides paths for liquid transport with low pressure drop while the smaller pores provide for thin film evaporation and produce high capillary pressure. Permeability and effective pore radius, as two key parameters defining the pumping capacity, are measured experimentally by the rate of rise method. It is also found that the evaporation rate of a rising liquid in a porous material is lower compared with that of the same material while saturated with stationary liquid. This will allow ignoring natural evaporation in the rate of rise method and using simplified models to capture permeability and effective pore radius. The role of meniscus recession in capillary pumping and evaporation rate is characterized for the first time and a model is proposed to measure the effective pore radius of porous materials in operating conditions. It is shown that the effective pore radius can decrease up to 50% due to forced evaporation. In a more general perspective, through different experiments, it is shown that there is a coupling between capillarity and evaporation. This coupling is established through variation in meniscus shape which will affect both capillarity and evaporation. The findings of this thesis will shed light on the capillarity, evaporation and their interconnected nature in the capillary wicks in two phase thermal management devices.

Ce mémoire de thèse a été consacrée à étudier expérimentalement la perméabilité relative au gaz et à l’eau des matériaux cimentaires partiellement saturés, et à simuler numériquement le transfert d’eau dans le béton. La perméabilité relative d’un mortier de référence et d’un béton utilisé dans un centre de stockage de déchets radioactifs a été mesurée. Une méthode de mesurer la perméabilité relative à l’eau de deux bétons CEM I et CEM V, qui seront utilisés dans un stockage profond, a été proposée. Mais les quantités d’eau mis en jeu n’ont pas permis d’exploiter cette approche. Ceci indique la prépondérance de la capillarité sur la perméation lors du processus de saturation du matériau. On a ensuite mesuré la sorption capillaire de deux bétons CEM I et CEM V. A la même saturation en eau, la perméabilité relative au gaz de l’échantillon pré-traité par l’imbibition capillaire est moins grande que celle de l’échantillon pré-traité par adsorption sous humidité relative. Un double-modèle de rétention a été proposé qui peut bien modéliser l’isotherme de sorption des bétons CEM I et CEM V. La perméabilité relative au gaz et à l’eau est déduite. L’hystérésis de l’isotherme de sorption entraîne l’hystérésis de la perméabilité relative à l’eau tandis que la perméabilité relative au gaz n’a pas d’hystérésis remarquable. Avec le double-modèle de rétention et les courbes de la perméabilité relative à l’eau, on a pu simuler le processus de sorption sous humidité relative en utilisant une propre perméabilité intrinsèque à l’eau qui est dans le domaine de valeurs mesurées tandis que on n’a pas réussi à simuler l’imbibition capillaire à cause de la cinétique différente / This dissertation was devoted to study gas and water relative permeability and transfer of water in partially saturated cementitious materials. The gas relative permeability of a reference mortar and a concrete, which is used in the low and intermediate level waste storage center in Soulaines, has been measured. A method to measure water relative permeability of two concretes CEM I and CEM V, which will be used in the building of a underground disposal, has been proposed. But the difficulty of isolating the part due to the permeation in the unsaturated flow shows that the flow of capillarity is predominant in unsaturated flow. The capillary adsorption of concretes CEM I and CEM V has been measured. At the same level of water saturation, the gas relative permeability of sample pre-treated by capillary adsorption is less than that of sample pre-treated by adsorption in relative humidity. A double retention model has been proposed and it can describe the sorption isotherm of two concretes CEM I and CEM V. The curves of gas and water relative permeability are deducted. The hysteresis of sorption leads to the hysteresis of water relative permeability while there is not notable hysteresis of gas relative permeability. With double-retention model and water relative permeability expression, we can simulate sorption process under relative humidity by using a proper value of water intrinsic permeability which is in the domain of measured values

Ce mémoire de thèse a été consacrée à étudier expérimentalement la perméabilité relative au gaz et à l'eau des matériaux cimentaires partiellement saturés, et à simuler numériquement le transfert d'eau dans le béton. La perméabilité relative d'un mortier de référence et d'un béton utilisé dans un centre de stockage de déchets radioactifs a été mesurée. Une méthode de mesurer la perméabilité relative à l'eau de deux bétons CEM I et CEM V, qui seront utilisés dans un stockage profond, a été proposée. Mais les quantités d'eau mis en jeu n'ont pas permis d'exploiter cette approche. Ceci indique la prépondérance de la capillarité sur la perméation lors du processus de saturation du matériau. On a ensuite mesuré la sorption capillaire de deux bétons CEM I et CEM V. A la même saturation en eau, la perméabilité relative au gaz de l'échantillon pré-traité par l'imbibition capillaire est moins grande que celle de l'échantillon pré-traité par adsorption sous humidité relative. Un double-modèle de rétention a été proposé qui peut bien modéliser l'isotherme de sorption des bétons CEM I et CEM V. La perméabilité relative au gaz et à l'eau est déduite. L'hystérésis de l'isotherme de sorption entraîne l'hystérésis de la perméabilité relative à l'eau tandis que la perméabilité relative au gaz n'a pas d'hystérésis remarquable. Avec le double-modèle de rétention et les courbes de la perméabilité relative à l'eau, on a pu simuler le processus de sorption sous humidité relative en utilisant une propre perméabilité intrinsèque à l'eau qui est dans le domaine de valeurs mesurées tandis que on n'a pas réussi à simuler l'imbibition capillaire à cause de la cinétique différente

L'interaction entre des lignes de contact et un écoulement hydrodynamique intervient dans de nombreuses situations industrielles ou fondamentales. Nous étudions la dynamique de gouttes ruisselantes, tout d'abord le long de leur axe de symétrie (Partie I) puis à trois dimensions (Partie II) en mesurant la distribution d'angle de contact autour de cette goutte par réfraction d'une nappe laser et le champ de vitesse à la surface. Nous montrons que la situation est localement à deux dimensions, dans la direction perpendiculaire à la ligne de contact. L'angle de contact ne dépend que de la vitesse de la ligne de contact mesurée perpendiculairement à elle-même, vitesse qui coïncide avec la vitesse locale du liquide, dont la composante tangentielle s'annule à la ligne de contact. Dans le cas de lignes singulières (en coin), ou deux normales coexistent en un point, nous montrons que le champ de vitesse est autosimilaire à l'approche de ce point, Nous abordons également (Partie III) la question des lignes de contact statiques dans un écoulement à travers l'étude de la stabilité et de la forme de zones sèches dans un film liquide en écoulement. Nous montrons en particulier l'influence du mouillage sur ces objets et nous mesurons l'angle de contact tout autour de ces zones sèches. Nous montrons que la distribution d'angle de contact est, suivant l'histoire de la zone sèche, uniforme et bloquée à l'angle d'avancée (ce qui permet de construire des modèles simples) ou au contraire relativement désordonnée, Enfin nous mettons en évidence un phénomène encore non reconnu de stick-slip de la ligne de contact lorsqu'une goutte de suspension colloïdale en cours de séchage avance (interaction entre dépôt et hydrodynamique).

Cette thèse traite de la dynamique des jets et projections liquides faisant suite à l'effondrement de cavités à la surface libre. Une large gamme d'échelle sera considérée : des cavités submillimétriques à décimétriques. La dépendance de la vitesse d'éjection du jet avec la taille de cavité et les propriétés du liquide nous permet de déterminer les lois d'échelle pertinentes et ainsi d'extraire l'essence des mécanismes physiques en jeu. Dans une première partie, les jets sont créés par l'éclatement de petites bulles : la force motrice qui permet de combler la cavité est alors la capillarité. Nous avons mis en évidence les rôles contre-intuitifs de la gravité et de la viscosité. Les aérosols éjectés par ce mécanisme ont ensuite été caractérisés, de leurs tailles à leurs évaporations. Dans une seconde partie, le pendant gravitaire à été considéré via une expérience modèle permettant l'étude de jets issus de cavités centimétriques sculptées à l'air comprimé. Une dynamique originale traduisant une focalisation de liquide et une dissipation localisée à la base du jet a été mise en évidence. Ces jets modèles ont ensuite été comparés à ceux issus de l'impact d'une bille dans un liquide visqueux. Dans la troisième partie, le champ de vitesse dans les jets étirés évoluant dans un régime inertiel a été étudié expérimentalement et théoriquement. La vitesse inertielle en z/t (z la position dans le jet et t le temps) communément utilisé a été caractérisée en fonction de l'alimentation en liquide à la base du jet. / This thesis deals with the dynamics of jets and liquid projections occuring when a cavity collapses at a free surface. A full range of scales will be investigated: from submilimetric cavitis to decimetric ones. The jet velocity dependence with cavity size and liquid properties allow us to establish the right scaling laws and thus to point out the relevant physical mecanisms at play. In a first chapter, jets are created by the bursting of small bubbles: the cavity collapses because of capillary forces. We highligthed the counterintuitive role of both gravity and viscosity. This mecanism gives birth to aerosols, which have been characterized from their size to their evaporation. In a second chapter, we considered the gravity-fed equivalent: a model experiment was set up to study jets from relaxing centimetric cavity shaped by blowing air at a free surface. We evidenced an unusual dynamics revealing the liquid focalisation in the jet and a localized dissipation at the base of the jet. A comparison of those model jets with the ones ejected after a solid objet impacts a viscous liquid was then performed. In the third chapter, we studied experimentally and theoretically the velocity field of inertial stretched jets. The inertial velocity z/t (with z the position in the jet et t the time) commonly used has been investigated depending on the jet feeding at its base.

Placée sous le signe de la fragmentation liquide, cette thèse met l'emphase sur une série d'étapes pouvant, d'un film suspendu, mener à une assemblée de gouttes : déstabilisation, rupture puis fragmentation. Elle prend appui sur des expériences originales, analysées à l'aide de modèles à la portée générale. En guise de prologue, capillarité, cisaillement et viscosité sont discutées à travers l'étude de la déstabilisation Marangoni d'un filament d'huile visqueuse déposé à la surface de l'eau. La mise en mouvement du filament, pilotée par une différence de tensions de surface, produit une cascade critique auto-similaire, accélérée jusqu'à la dilution complète de l'huile, miscible à l'eau. Sur un film, l'effet Marangoni créé par un déficit localisé de tension de surface, dont le support (la température ou un soluté) diffuse, engendre sa déstabilisation, étudiée au deuxième chapitre. L'analyse linéaire exhibe une échelle de temps inertielle basée sur le cisaillement surfacique, sur laquelle s'établit un écoulement interstitiel, caractérisé expérimentalement. Le scénario introduit un nombre de Péclet, critère pour la rupture spontanée des films épais. Les conséquences sur la stabilité finale du film sont explorées au troisième chapitre, avec la revue des possibles régularisations. La dynamique de rupture est interprétée en termes de choc. Enfin, suivant la rupture d'un film en divers points, la collision de cylindres liquides est isolée en tant que mécanisme individuel de fragmentation. L'analyse détaillée de l'impact révèle la transition entre deux régimes, vers des gouttes de plus en plus fines / This thesis deals primarily with liquid films fragmentation. It consists, thanks to quantitative and original experiments, in the transformation of a free suspended film into a collection of droplets: destabilization, rupture, and fragmentation.In a prologue, notions of capillarity, momentum transfer and viscosity are introduced by the Marangoni-driven destabilization of a thin thread of viscous oil on water. The difference of surface tension feeds an accelerated, critical, self-similar cascade which ends up with the complete dilution of oil into water. When applied to a free film, the Marangoni effect driven by a localized deficit of surface tension, whose carrier (temperature or a solute) is diffusing into the liquid, destabilizes it (chapter two). The linear instability analysis points out the crucial role of an inertial timescale based on the surface shear stress. Experiments validate the prediction of an interstitial flow, which digs out the film in the case of a surface tension deficit. These observations offer new insights into a long-standing problem, namely the spontaneous nucleation of holes on planar liquid films.The third chapter investigates the consequences of the linear instability, as far as the film final stability is concerned, reviewing possible regularizations. The rupture dynamics is described within the framework of shocks. In the final chapter, the collision of liquid cylinders is identified as an individual mechanism for liquid fragmentation. The impact dynamics is analyzed, leading to two principal fragmentation regimes. The onset to the splashing one, which produces fine and fast droplets, is described

Le développement de la technologie du véhicule hybride au sein du parc automobile mondial place les constructeurs tels que PSA Peugeot-Citroën face à de nouvelles problématiques. L'intégration des modules d'électronique de puissance dans ce type de véhicule entraîne d'importantes dissipations thermiques qu'il est nécessaire d'évacuer alors que les systèmes de refroidissement conventionnels atteignent leurs limites. Dans ce but, un système innovant de transfert thermique passif fait l'objet de la présente thèse : la boucle diphasique à pompage thermocapillaire. Une architecture particulière de ce type de système est présentée, où les positions relatives de l'évaporateur, du réservoir et du condenseur permettent à la gravité de jouer un rôle de premier plan dans le fonctionnement de cette boucle. Une pré-étude ayant permis de sélectionner l'éthanol comme le fluide de travail le mieux adapté à cette application automobile, un banc expérimental finement instrumenté avec mesures de températures, pressions et débits a été mis en oeuvre pour caractériser la réponse de la boucle à une application de puissance en régimes de fonctionnement permanent et transitoire. L'apport des mesures de débit et de pression s'est notamment traduit en régime transitoire par la mise en évidence de phénomènes d'écoulement particuliers dans la boucle. Les résultats obtenus ont permis, tant sur les plans thermique qu'hydraulique, de confirmer d'une part leur potentiel de gestion de la dissipation thermique en maintenant la température de l'électronique stable quelle que soit la puissance appliquée et d'ouvrir d'autre part nombre de perspectives de contrôle et de dimensionnement pour la conception des futures boucles. Les données expérimentales obtenues ont également permis de valider et d'identifier en régime permanent un modèle nodal thermo-hydraulique de boucle développé dans le cadre de cette thèse. Ce modèle global est basé sur une approche originale, dans ce contexte, de modélisation du phénomène de changement de phase avec comme variable du calcul l'enthalpie en sus de la température et de la pression. Même si ce modèle reste tributaire de l'expérience par l'identification de deux conductances thermiques, il nous a permis d'apprécier en particulier l'influence de la gravité et des conditions d'environnement sur le fonctionnement de la boucle et ouvre également des perspectives de dimensionnement pour sa valorisation au sein de futurs véhicules hybrides.

La tendance à la miniaturisation des produits n'est pas sans influence sur l'évolution de leurs moyens de production et d'assemblage. En effet, dû à la réduction d'échelle, l'assemblage de petits composants (appelé microassemblage) est perturbé par les forces de surface comme les forces de capillarité. Ces forces, exercées par le pont liquide reliant manipulateur et composant, sont habituellement négligeables (et négligées) dans l'assemblage conventionnel dominé par les forces de gravité. L'approche originale suivie dans ce travail consiste à tirer parti de ces effets et à les utiliser pour la manipulation de microcomposants, c'est-à-dire de composants dont la taille va de quelques dizaines de microns à quelques millimètres. Ce travail tente donc d'apporter quelques réponses aux problèmes de conception posés par un tel choix: quels sont les avantages d'une telle approche? Comment ces forces `fonctionnent-elles'? Sont-elles suffisamment grandes pour manipuler des microcomposants? Comment, dans ce cas, relâcher le composant? Quel rôle la tension de surface joue-t-elle? En quoi le choix des matériaux est-il important? Comment optimiser la conception du manipulateur? Tout au long de ce travail, le lecteur trouvera un inventaire des principes de manipulation existants, les éléments nécessaires à la modélisation des forces de capillarité, ainsi que la description de la simulation et du banc d'essai développés par l'auteur dans le but d'étudier ces paramètres de conception. Les résultats présentés dans cette thèse recouvrent essentiellement deux thèmes: quelles sont les règles de conception à suivre pour maximiser les forces de capillarité (problème de la préhension) et comment choisir une stratégie de relâche adéquate (problème de la relâche)?

L'objectif général de ce travail est la compréhension des mécanismes d'imbibition et de dissolution de matériaux poreux. Par ailleurs, ce travail vise également à expliquer le ralentissement, observé en présence de tensioactif, des cinétiques de dissolution des tablettes. Nous montrons qu'il est possible de prévoir la vitesse d'imbibition d'une tablette par l'eau en fonction de sa structure poreuse. Ainsi, un modèle dérivé de la loi de Washburn nous permet de calculer l'épaisseur de la couche imbibée, en tenant compte à la fois du gaz présent dans la tablette, qui s'oppose à la pénétration de l'eau, et de l'érosion de la tablette. Ces cinétiques d'imbibition expliquent les différences obtenues, en fonction de la porosité des tablettes, sur les temps de dissolution. En effet, différents régimes cinétiques sont observés selon que l'imbibition ou la dissolution gouverne le processus global. Ainsi, la tablette se désintègre après quelques secondes lorsqu'elle est très poreuse et donc rapidement imbibée par l'eau. En revanche, une tablette plus compacte se dissout lentement, selon un processus d'érosion, car la vitesse d'imbibition est lente devant celle de dissolution de la poudre. Par ailleurs, nous démontrons expérimentalement que l'air occlus au sein du matériau poreux s'échappe par les pores les plus gros du matériau. Une fois les mécanismes généraux compris, l'effet ralentisseur du tensioactif sur la dissolution des tablettes est expliqué. Il résulte en fait d'un ralentissement des cinétiques d'imbibition de la tablette. Celui-ci a pour causes principales la diminution de la tension superficielle de la solution et l'augmentation de sa viscosité.