Cette thèse porte sur l’étude de la cavitation, c’est-à-dire l’apparition d’une bulle dans un liquide soumis à une dépression. Le contrôle du processus est d’un grand intérêt dans plusieurs domaines, de l’hydrodynamique à la biologie. En fait ce phénomène, apparemment inoffensif, peut provoquer des graves dommages comme la fracture d’hélices ou la mort d’arbres. La première partie de la thèse se focalise sur la cavitation dans un système biomimétique. Il s’agit de micro-volumes d’eau encapsulés dans un milieu poro-élastique. L’évaporation de l’eau à travers l’hydrogel génère des pressions négatives et finalement l’apparition d’une bulle. Lorsque la première bulle de cavitation apparait dans une cellule, elle peut déclencher en quelques microsecondes l’apparition d’autres bulles dans les cellules voisines, en amorçant un effet d’avalanche ultra-rapide. Nous résolvons la dynamique et l’acoustique des bulles, dans le cas des événements uniques ou multiples. La réalisation d’un dispositif innovant ou les volumes du liquide sont encapsulés entre l’hydrogel et une lame de verre ouvre la voie à l’investigation de l’eau métastable. Une deuxième partie du travail a été consacrée à une étude interdisciplinaire où la microfluifique et la biologie sont combinées et appliqués à la livraison de médicament. Le dispositif est composé d’un vaisseau sanguin artificiel en communication avec un tissu cible placé dans un compartiment créé exprès. Les parois du canal microfluidique sont tapissées de cellules endothéliales pour reproduire la paroi réelle d’un vaisseau sanguin in vivo. Ce dispositif permet l’étude des effets des bulles activées par des ultrasons sur la barrière endothéliale. / The present thesis focuses on cavitation process, meaning nucleation and dynamics of a bubble within a liquid as a result of pressure decrease. In particular, we investigate the growth of the vapor phase in micrometric volumes of water confined by a poro-elastic material. In systems where water is encapsulated in a porous medium, molecules can evaporate from the pores resulting in a remarkable pressure reduction and bubbles nucleation. Once a vapor bubble nucleates, it can trigger within few microseconds the appearance of other bubbles in the neighbor cavities, activating an ultra-fast avalanche-like phenomenon. We resolved the dynamics and acoustics of cavitation bubbles, in case of singles or multiple nucleation events. The realization of an innovative device where water is encapsulated between a porous material and a glass window opens the way for metastable water investigation. A second part of the manuscript is devoted to a new project where microfluidics and biology are combined and applied to drug delivery. The device consists of an artificial blood vessel in communication with the target tissue accommodated in a purposely designed compartment (tissue-on-a-chip). The walls of the microfluidic channel mimicking the vessel are lined with endothelial cells to reproduce the actual walls of in vivo blood vessels. This device allows to investigate the effects of ultrasound-activated bubbles on the blood vessels wall.

Lors du fonctionnement d'une installation hydraulique, l'apparition de zone de cavitation dans l'écoulement peut entraîner un endommagement important sur la surface des matériaux. La quantification de l'intensité de cavitation sur les composants hydrauliques serait utile à la fois pour mieux concevoir les nouveaux équipements en projet, mais aussi pour améliorer la conduite et optimiser la maintenance des matériels existants. Au vu du grand nombre de paramètres régissant les écoulements cavitants, l'élaboration de lois de similitudes universelles à partir d'expériences est délicate. Avec l'augmentation des moyens de calculs, la simulation numérique est un outil pour étudier ce phénomène sur des géométries variées. La principale difficulté de cette démarche réside dans la différence d'échelles existant entre les simulations numériques U-RANS servant à simuler l'écoulement cavitant et les mécanismes d'implosion de bulles jugés responsables de l'endommagement sur le solide. La méthode proposée dans ce manuscrit s'appuie sur un post-traitement des simulations U-RANS afin de caractériser une distribution de bulles et de simuler leurs comportements à de plus petites échelles spatiales et temporelles. Dans un premier temps, notre travail consiste à expliciter les équations locales de conservation de masse, de quantité de mouvement et d'énergie pour un écoulement liquide/gaz comprenant deux espèces eau/air. Ce travail mène à l'élaboration de grandeurs de mélange prenant notamment en compte la présence de gaz incondensables au sein du fluide. Des hypothèses permettent de rendre ce système équivalent à ceux, utilisant une approche homogène, implémentés dans les codes de simulations d'écoulements cavitants instationnaires développés précédemment au laboratoire. La caractérisation des populations de bulles effectuée par le post-traitement prend ainsi en considération à la fois la tension superficielle et la présence de gaz incondensables. Dans un deuxième temps, l'élaboration d'un code de calcul permettant la simulation de la dynamique d'un nuage de bulles est débutée. Ce dernier a pour ambition de tenir compte à la fois des interactions entre les bulles et des déformations non sphériques que celles-ci peuvent subir à l'aide d'une méthode potentielle. Des premiers résultats de simulations sont présentés dans ce manuscrit et permettent de tenir compte de faibles déformations des bulles. La dernière étape de ce travail consiste à proposer une méthode de chaînage entre ces deux échelles en initialisant le calcul de dynamique de bulles à l'aide des résultats du calcul U-RANS. L'énergie émise lors de l'implosion des bulles et impactant la surface solide est ainsi calculée, caractérisant de ce fait le chargement imposé par l'écoulement sur le matériau. Cette méthode est par la suite appliquée sur différentes géométries en comparant à chaque fois les résultats obtenus à des expériences. Nous comparons également nos résultats à des méthodes précédemment établies au sein du laboratoire afin d'évaluer la pertinence de cette approche. / During the life's cycle of a hydraulic installation, the occurrence of cavitation can cause significant damages on the material's surface. The quantification of the cavitation intensity in different geometry can be useful to get better designs for new installations, but also to improve the operating and to optimize maintenance of existing equipments. The development of universal laws of similarity from experiments is difficult due to the large number of parameters governing cavitating flows. With the increase of computational performance, numerical simulations offer the opportunity to study this phenomenon in various geometries. The main difficulty of this approach is the scale's difference existing between the numerical simulations U-RANS used to calculate the cavitating flow and mechanisms of bubble's collapse held responsible for damages on the solid. The proposed method in this thesis is based on a textbf{post-treatment} of the textbf{U-RANS} simulations to characterize a distribution of bubbles and to simulate their behavior at lower spatial and temporal scales. Our first objective is to make explicit a system of equations corresponding to phenomena occurring locally in the two-phase flow. This work leads to the development of mixture variables taking into account the presence of non-condensable gases in the fluid. Assumptions are taken to make the system, after using the Reynolds averaging procedure, equivalent to those, using a homogeneous approach, implemented in the unsteady cavitating flows solvers previously developed in the laboratory. The characterization of bubbles made by this post-treatment takes into account both the surface tension and the presence of non-condensable gases. The development of a solver for the simulation of the dynamic of a bubble cloud is started. It aims to take into account both the interactions between bubbles and non-spherical deformations with a potential method. First results of these simulations are presented and small non-spherical deformations occurring during the collapse can be observed. Finally, we propose a chained method between these two systems initializing the bubble dynamic solver with results of U-RANS simulations. The energy emitted during the implosion of bubbles impacting the solid surface is calculated. So the aggressiveness of the flow on the material can be characterized. We apply this method on different flows to compare numerical and experimental results.

Lors du fonctionnement d'une installation hydraulique, l'apparition de zone de cavitation dans l'écoulement peut entraîner un endommagement important sur la surface des matériaux. La quantification de l'intensité de cavitation sur les composants hydrauliques serait utile à la fois pour mieux concevoir les nouveaux équipements en projet, mais aussi pour améliorer la conduite et optimiser la maintenance des matériels existants. Au vu du grand nombre de paramètres régissant les écoulements cavitants, l'élaboration de lois de similitudes universelles à partir d'expériences est délicate. Avec l'augmentation des moyens de calculs, la simulation numérique est un outil pour étudier ce phénomène sur des géométries variées. La principale difficulté de cette démarche réside dans la différence d'échelles existant entre les simulations numériques U-RANS servant à simuler l'écoulement cavitant et les mécanismes d'implosion de bulles jugés responsables de l'endommagement sur le solide. La méthode proposée dans ce manuscrit s'appuie sur un post-traitement des simulations U-RANS afin de caractériser une distribution de bulles et de simuler leurs comportements à de plus petites échelles spatiales et temporelles. Dans un premier temps, notre travail consiste à expliciter les équations locales de conservation de masse, de quantité de mouvement et d'énergie pour un écoulement liquide/gaz comprenant deux espèces eau/air. Ce travail mène à l'élaboration de grandeurs de mélange prenant notamment en compte la présence de gaz incondensables au sein du fluide. Des hypothèses permettent de rendre ce système équivalent à ceux, utilisant une approche homogène, implémentés dans les codes de simulations d'écoulements cavitants instationnaires développés précédemment au laboratoire. La caractérisation des populations de bulles effectuée par le post-traitement prend ainsi en considération à la fois la tension superficielle et la présence de gaz incondensables. Dans un deuxième temps, l'élaboration d'un code de calcul permettant la simulation de la dynamique d'un nuage de bulles est débutée. Ce dernier a pour ambition de tenir compte à la fois des interactions entre les bulles et des déformations non sphériques que celles-ci peuvent subir à l'aide d'une méthode potentielle. Des premiers résultats de simulations sont présentés dans ce manuscrit et permettent de tenir compte de faibles déformations des bulles. La dernière étape de ce travail consiste à proposer une méthode de chaînage entre ces deux échelles en initialisant le calcul de dynamique de bulles à l'aide des résultats du calcul U-RANS. L'énergie émise lors de l'implosion des bulles et impactant la surface solide est ainsi calculée, caractérisant de ce fait le chargement imposé par l'écoulement sur le matériau. Cette méthode est par la suite appliquée sur différentes géométries en comparant à chaque fois les résultats obtenus à des expériences. Nous comparons également nos résultats à des méthodes précédemment établies au sein du laboratoire afin d'évaluer la pertinence de cette approche. / During the life's cycle of a hydraulic installation, the occurrence of cavitation can cause significant damages on the material's surface. The quantification of the cavitation intensity in different geometry can be useful to get better designs for new installations, but also to improve the operating and to optimize maintenance of existing equipments. The development of universal laws of similarity from experiments is difficult due to the large number of parameters governing cavitating flows. With the increase of computational performance, numerical simulations offer the opportunity to study this phenomenon in various geometries. The main difficulty of this approach is the scale's difference existing between the numerical simulations U-RANS used to calculate the cavitating flow and mechanisms of bubble's collapse held responsible for damages on the solid. The proposed method in this thesis is based on a textbf{post-treatment} of the textbf{U-RANS} simulations to characterize a distribution of bubbles and to simulate their behavior at lower spatial and temporal scales. Our first objective is to make explicit a system of equations corresponding to phenomena occurring locally in the two-phase flow. This work leads to the development of mixture variables taking into account the presence of non-condensable gases in the fluid. Assumptions are taken to make the system, after using the Reynolds averaging procedure, equivalent to those, using a homogeneous approach, implemented in the unsteady cavitating flows solvers previously developed in the laboratory. The characterization of bubbles made by this post-treatment takes into account both the surface tension and the presence of non-condensable gases. The development of a solver for the simulation of the dynamic of a bubble cloud is started. It aims to take into account both the interactions between bubbles and non-spherical deformations with a potential method. First results of these simulations are presented and small non-spherical deformations occurring during the collapse can be observed. Finally, we propose a chained method between these two systems initializing the bubble dynamic solver with results of U-RANS simulations. The energy emitted during the implosion of bubbles impacting the solid surface is calculated. So the aggressiveness of the flow on the material can be characterized. We apply this method on different flows to compare numerical and experimental results.

Les liquides sont capables, comme les solides, de supporter des forces de traction. Ils sont alors à pression négative (c'est-à-dire en tension), dans un état qui est métastable. Le retour vers un état stable à pression positive peut se faire par la nucléation d'une bulle, un processus appelé cavitation. Dans cette thèse nous nous intéressons aux propriétés de la cavitation en milieu confiné, avec un accent particulier sur la dynamique des bulles. Ce sujet est motivé par l'étude du transport de l'eau dans les arbres dont une partie (la sève montante) se fait sous tension, dans des canaux micrométriques. La cavitation entraîne alors l'embolie des éléments conducteurs de sève, c'est-à-dire leur remplissage par du gaz. Une grande partie du manuscrit est consacrée à l'étude de la cavitation dans un milieu modèle, où de l'eau est confinée dans des inclusions sphériques micrométriques au sein d'un hydrogel. L'évaporation passive de l'eau à travers le gel permet de générer des pressions négatives, et la cavitation peut se produire spontanément ou être déclenchée à l'aide d'un laser. Nous résolvons la dynamique subséquente de la bulle à l'aide de diverses méthodes (caméra time-lapse ou caméra rapide, diffusion de la lumière, strobophotographie laser ...) et montrons qu'après une séquence inertielle ultra-rapide, la bulle atteint un état d'équilibre temporaire, puis grossit de manière quasi-statique sous l'effet des flux d'eau dans l'hydrogel, provoquant "l'embolie" de l'inclusion. Une place importante est accordée à un chapitre de théorie qui explore d'une part les propriétés thermodynamiques d'un liquide confiné à pression négative, et d'autre part la dynamique aux temps courts de bulles de cavitation dans de tels systèmes. Nous proposons ainsi une équation de Rayleigh-Plesset modifiée qui rend compte de l'accélération importante des oscillations radiales des bulles que nous avons observée expérimentalement. La compressibilité du liquide et l'élasticité du confinement sont des éléments-clés de ce modèle. Enfin, nous discutons l'application des résultats précédents dans le contexte des arbres, tout en proposant une nouvelle méthode expérimentale qui permet un suivi optique du processus d'embolie. Nous présentons quelques résultats obtenus sur des échantillons de pin sylvestre. / Liquids can sustain traction forces, as solids do. In this case, they are at negative pressure (that is, under tension), in a metastable state. Nucleation of a bubble can occur, leading the system back to a stable state : this process is called cavitation. In this PhD work, we are interested in the properties of cavitation in a confined liquid, with a particular emphasis on bubble dynamics. This study is motivated by the context of water transport in plants : ascending sap is indeed under tension, in natural micro-channels. Cavitation then leads to embolism, i. e. the gas-filling of these channels. A significant part of the manuscript is devoted to the study of cavitation in a model system : spherical inclusions of water are embedded in a hydrogel, and passive evaporation of water through the gel allows the generation of negative pressures. Cavitation can then happen spontaneously or be triggered with a laser. We resolve the subsequent dynamics of the bubble, using several methods (fast or time-lapse camera, light scattering, laser strobe photography ...), showing that after a first ultra-fast inertial step, the bubble reaches a temporary equilibrium. Then, it slowly grows due to fluxes in the hydrogel, leading to full embolism of the inclusion. A theoretical chapter follows. First, the thermodynamical properties of a confined liquid under negative pressure are investigated. In a second part, we focus on the dynamics of cavitation bubbles in such systems, at short time scales. We derive a modified Rayleigh-Plesset equation which accounts for the experimentally observed ultra-fast radial oscillations of the bubbles. Liquid compressibility and confinement elasticity are key ingredients in this model. Last, the applicability of the previous results in the context of trees is discussed. A new method to directly study embolism in trees by optical means is also presented, and applied to Scots pine samples.

Ce travail de recherche s'intéresse à la dynamique de bulles en ascension à grand nombre de Reynolds dans un liquide fortement confiné entre deux plaques (cellule de Hele-Shaw). Dans le régime étudié, les trajectoires des bulles et leurs déformations sont contenues dans le plan de la cellule. La dynamique essentiellement bidimensionnelle favorise en particulier l'observation d'interactions entre bulles. Cette étude expérimentale comprend donc deux volets : l'analyse de la dynamique d'une bulle isolée et de son sillage et celle des interactions hydrodynamiques entre deux bulles. La cinématique des bulles (forme, trajectoire et vitesse) est mesurée à partir de visualisations par ombroscopie sur une large gamme de tailles caractérisées par un diamètre équivalent dans le plan, noté d. La dynamique des sillages est quant à elle étudiée par Vélocimétrie par Image de Particules (PIV) à Haute Fréquence. Concernant l'étude de la bulle isolée, nous avons exploré la situation où les bulles montent dans un liquide au repos et celle où elles sont soumises à un écoulement descendant à contre-courant. En liquide au repos, pour des bulles de taille suffisante qui ne sont pas mobiles dans l'interstice d'épaisseur e nous avons montré que la vitesse moyenne d'ascension Vb est proportionnelle à (e/d)⅙ √gd, et que le nombre de Reynolds défini par Re=Vbd/v fixe la déformation des bulles. De plus des lois d'échelle simples sont obtenues dans la gamme 1200≤Re≤3000 et e/d ≤ 0,4 pour les grandeurs décrivant les oscillations de trajectoire dans le repère de la bulle. Par ailleurs, des mesures de vitesse nous ont permis de caractériser la structure du sillage associé aux oscillations de trajectoire de la bulle. Nous avons tout d'abord étudié en détail les caractéristiques du détachement tourbillonnaire. Ces mesures de vitesse dans les sillages ont également mis en évidence l'existence de deux dynamiques distinctes sur deux échelles de temps nettement séparées : la période d'oscillation de la bulle et le temps visqueux défini à partir de e. En écoulement à contre-courant, un résultat intéressant consiste en la disparition de la phase intermédiaire d'appariement tourbillonnaire dans l'allée de von Karman de bulles oscillantes pour la plus importante des vitesses du contre-écoulement. La caractérisation de la cinématique des bulles isolées et des perturbations de vitesse qu'elles induisent dans le liquide a permis d'aboutir à des lois d'échelle suffisamment robustes pour pouvoir prédire leur comportement instationnaire simplement à partir de leur taille. Cette connaissance s'avère cruciale dans l'analyse des interactions entre deux bulles pour explorer les écarts de leur comportement cinématique par rapport au cas isolé. Les expériences d'interaction entre deux bulles consistent à injecter deux bulles successives et à observer leur mouvement ainsi que celui qu'elles induisent dans la phase liquide. Le suivi des bulles par ombroscopie permet de distinguer plusieurs modes d'interaction entre les bulles : attraction horizontale, entrainement vertical, éjection du sillage ou rebond, contournement, positionnement préférentiel et coalescence. Certains mécanismes d'interaction ont été plus spécifiquement étudiés à l'aide de mesures par vélocimétrie. Nous avons ainsi pu quantifier l'effet du sillage de la première bulle sur la deuxième, et notamment caractériser l'interaction bulle - tourbillon. / We study the dynamics of bubbles rising in a liquid confined in a thin-gap cell (Hele-Shaw cell of thickness e). In the regime investigated corresponding to high Reynolds numbers, bubble paths and deformations occur in the plane of the cell. This two-dimensional dynamics facilitates the observation of bubbles interaction. The aim of the investigation is twofold: the analysis of the coupling between the motion of an isolated oscillating bubble and its wake, and the analysis of the hydrodynamical interactions between two bubbles. Bubble motions (shape, trajectory and velocity) are measured from visualizations using shadowgraphy for a large range of bubble sizes characterized by their in-plane equivalent diameter d. The behaviour of the wake is explored using High Frequency Particle Image Velocimetry (HF PIV). We investigated the kinematics of an isolated bubble when its size d increases. We showed that the mean vertical velocity of the bubble Vb is proportional to (e/d)⅙ √gd, and that the Reynolds number Re=Vbd/v determines its mean deformation. Simple scaling laws were then obtained in the range 1200≤Re≤3000 and e/d ≤ 0,4 for all the quantities describing the path oscillations of the bubble in its reference frame. Moreover, measurements of the liquid velocity allowed us to characterize the structure of the wake associated to the oscillating bubbles. We first investigated in detail the characteristics of vortex shedding. We then showed that the time evolution of the bubble wake depends on two contrasted time scales. The first corresponds to short times on the order of the period of oscillation and the second to the effect of wall friction becoming predominant for times comparable to the viscous time scale based on the gap thickness e. In the presence of a sufficiently strong counterflow, we observed the disappearance of the intermediate phase of vortex pairing in the wake of an isolated oscillating bubble. The characterization of the bubble kinematics and of the bubble-induced velocity perturbation in the liquid phase for the isolated bubble provided scaling laws robust enough to predict their periodic motion. This knowledge is fundamental for the discussion of hydrodynamical interactions, allowing us to discuss the kinematics of interacting bubbles as compared to their kinematics as isolated bubbles. Experiments consisted in the injection of two successive bubbles in the cell, the observation of their motions and the measurement of the perturbations induced in the liquid phase. Visualizations of the bubbles motions allowed us to observe several types of interactions: horizontal attraction, vertical entrainment, ejection or bouncing, preferential positioning, and coalescence. Some mechanisms occurring during interaction have been more precisely studied using HF PIV, in particular the effect of the wake of the leading bubble on the trailing bubble, and the associated bubble-vortex interaction.

Les liquides sont capables, comme les solides, de supporter des forces de traction. Ils sont alors à pression négative (c'est-à-dire en tension), dans un état qui est métastable. Le retour vers un état stable à pression positive peut se faire par la nucléation d'une bulle, un processus appelé cavitation. Dans cette thèse nous nous intéressons aux propriétés de la cavitation en milieu confiné, avec un accent particulier sur la dynamique des bulles. Ce sujet est motivé par l'étude du transport de l'eau dans les arbres dont une partie (la sève montante) se fait sous tension, dans des canaux micrométriques. La cavitation entraîne alors l'embolie des éléments conducteurs de sève, c'est-à-dire leur remplissage par du gaz. Une grande partie du manuscrit est consacrée à l'étude de la cavitation dans un milieu modèle, où de l'eau est confinée dans des inclusions sphériques micrométriques au sein d'un hydrogel. L'évaporation passive de l'eau à travers le gel permet de générer des pressions négatives, et la cavitation peut se produire spontanément ou être déclenchée à l'aide d'un laser. Nous résolvons la dynamique subséquente de la bulle à l'aide de diverses méthodes (caméra time-lapse ou caméra rapide, diffusion de la lumière, strobophotographie laser ...) et montrons qu'après une séquence inertielle ultra-rapide, la bulle atteint un état d'équilibre temporaire, puis grossit de manière quasi-statique sous l'effet des flux d'eau dans l'hydrogel, provoquant "l'embolie" de l'inclusion. Une place importante est accordée à un chapitre de théorie qui explore d'une part les propriétés thermodynamiques d'un liquide confiné à pression négative, et d'autre part la dynamique aux temps courts de bulles de cavitation dans de tels systèmes. Nous proposons ainsi une équation de Rayleigh-Plesset modifiée qui rend compte de l'accélération importante des oscillations radiales des bulles que nous avons observée expérimentalement. La compressibilité du liquide et l'élasticité du confinement sont des éléments-clés de ce modèle. Enfin, nous discutons l'application des résultats précédents dans le contexte des arbres, tout en proposant une nouvelle méthode expérimentale qui permet un suivi optique du processus d'embolie. Nous présentons quelques résultats obtenus sur des échantillons de pin sylvestre.

Les propriétés acoustiques des bulles sont reconnues pour leur potentiel dans des applications tant biologiques que médicales. Capables de provoquer la lyse des cellules en générant des écoulements intenses, elles peuvent aussi servir d'agent de contraste en échographie.Ce manuscrit traite de la dynamique de vibration de bulles confinées entre les deux murs d'un canal microfluidique. Ces bulles exhibent une pulsation en volume aux faibles amplitudes d'excitation, à laquelle se superpose un mode de surface paramétrique aux plus fortes amplitudes. Le matériau constituant le canal étant élastique, la pulsation de la bulle confinée a pour effet de générer des ondes de Rayleigh sur les parois du canal. Grâce à ces ondes de surface, les bulles vont pouvoir se coupler les unes aux autres. Ce couplage a un effet sur les écoulements hydrodynamiques autour de ces bulles. En effet, la présence d'une bulle voisine engendre l'apparition d'un mode de translation de la bulle qui, couplé à sa pulsation en volume, conduira à la génération d'écoulements à longue portée. Ce même couplage permet aux bulles de s'auto-organiser en réseau. Afin d'étudier de manière contrôlée les effets collectifs des bulles, leur position a été fixée à l'aide de puits capillaires. Les conditions d'amplification et de synchronisation de la vibration des bulles sont recherchées en vue de créer de nouveaux méta-matériaux. / The pulsation properties of air bubbles under ultrasound have received much attention since the development of sonoporation and contrast agents. Spherical bubbles are well known to induce streaming when excited by ultrasound.We report in this manuscript the acoustic vibration of microbubbles confined between the two walls of a microfluidic channel. These bubbles exhibit a volumetric pulsation at low intensities of ultrasound, superimposed with a parametric surface mode for higher intensities of the pressure field. Because the channel walls are elastic, the bubble pulsation leads to the generation of Rayleigh waves at the channel wall interface. The bubble coupling induced by these surface waves has hydrodynamic consequences. In fact, a neighbouring bubble will create a translation mode of the bubble, in addition to its volumetric pulsation. It gives rise to a long-range mixed-mode streaming. The Rayleigh waves lead also to a self-organization of the bubbles in a network. In order to study the collective effects of these bubble networks in a controlled manner, bubble positions were fixed by capillarity on micropits. Conditions for an amplification or a synchronization of the bubble pulsations are sought in order to develop new bubble metamaterials.

Cette thèse vise à contribuer à la caractérisation, à l’aide de modélisation et d’expérience, de la dynamique de bulle en microfluidique. Deux régimes d’écoulements rencontrés en microfluidique sont étudiés, le régime bubbly flow et le régime Taylor flow. En particulier, la première partie de cette thèse traite de la dynamique d’un écoulement de type bubbly flow dans un microcanal rectiligne de section circulaire en présence de surfactants. Le code de calcul numérique JADIM est utilisé. Une méthode numérique permettant, d’une part, de simuler le transport de surfactants le long d’une interface qui bouge et qui se déforme, et d’autre part, de simuler l’effet Marangoni crée par une distribution inhomogène de ces surfactants sur cette interface, est implémentée et validée. Les simulations effectuées avec ce code concernant la dynamique d’un écoulement de type bubbly flow montrent par exemple que, le confinement créé par les parois du microcanal résulte en une distribution des surfactants sur la surface des bulles qui est fondamentalement différente d’une distribution rencontrée dans le cas d’une bulle qui se déplace dans un liquide de dimension infinie. En effet, les surfactants s’accumulent en des locations spécifiques sur la surface des bulles et créent des forces de Marangoni locale, qui influencent drastiquement la dynamique des bulles. Dans certains cas, les surfactants peuvent même engendrer une désintégration de la bulle, un mécanisme qui est rationalisé par un bilan de force à l’arrière de la bulle. La méthode numérique implémentée dans cette thèse est également utilisée pour un problème pratique concernant la production artisanale de Mezcal, une boisson alcoolisée produite au Méxique. La seconde partie de cette thèse traite de la dynamique d’un écoulement de type Taylor flow, à l’aide d’expérience et de modélisation. Une méthode expérimentale permettant de mesurer l’épaisseur du film de lubrification qui se forme entre une bulle de Taylor et les parois du microcanal est développée. Cette méthode requiert uniquement une image « brightfield » de la bulle. En plus de la mesure de l'epaisseur du film de lubrification, la méthode permet aussi de mesurer la profondeur du microcannal. Enfin, l'utilisation de la méthode proposée couplée à la mesure de la vitesse de translation de la bulle permet de déduire la tension de surface de celle-ci. Dans le dernier chapitre de cette thèse, l'influence des effets gravitaires sur la dynamique des écoulements de Taylor est quantifiée. Quoique souvent négligée en microfluidique, il est montré que les effets gravitaires peuvent avoir un impact significatif sur la dynamique des écoulements de Taylor. Ces impacts sont quantifiés à l'aide d'expériences et de modélisations. Ce travail a été réalisé à la Princeton University avec Professeur Howard A. Stone pendant un séjour de 7 mois. / This thesis aims at contributing to the characterization of the dynamics of bubbles in microfluidics through modeling and experiments. Two flow regimes encountered in microfluidics are studied, namely, the bubbly flow regime and the Taylor flow regime (or slug flow). In particular, the first part of this thesis focuses on the dynamics of a bubbly flow inside a horizontal, cylindrical microchannel in the presence of surfactants using numerical simulations. A numerical method allowing to simulate the transport of surfactants along a moving and deforming interface and the Marangoni stresses created by an inhomogeneous distribution of these surfactants on this interface is implemented in the Level set module of the research code. The simulations performed with this code regarding the dynamics of a bubbly flow give insights into the complexity of the coupling of the different phenomena controlling the dynamics of the studied system. Fo example it shows that the confinement imposed by the microchannel walls results in a significantly different distribution of surfactants on the bubble surface, when compared to a bubble rising in a liquid of infinite extent. Indeed, surfactants accumulate on specific locations on the bubble surface, and create local Marangoni stresses, that drastically influence the dynamics of the bubble. In some cases, the presence of surfactants can even cause the bubble to burst, a mechanism that is rationalized through a normal stress balance at the back of the bubble. The numerical method implemented in this thesis is also used for a practical problem, regarding the artisanal production of Mezcal, an alcoholic beverage from Mexico. The second part of the thesis deals with the dynamics of a Taylor flow regime, through experiments and analytical modeling. An experimental technique that allows to measure the thickness of the lubrication film forming between a pancake-like bubble and the microchannel wall is developed. The method requires only a single instantaneous bright-field image of a pancake-like bubble translating inside a microchannel. In addition to measuring the thickness of the lubrication film, the method also allows to measure the depth of a microchannel. Using the proposed method together with the measurment of the bubble velocity allows to infer the surface tension of the interface between the liquid and the gas. In the last chapter of this thesis, the effect of buoyancy on the dynamics of a Taylor flow is quantified. Though often neglected in microfluidics, it is shown that buoyancy effects can have a significant impact on the thickness of the lubrication film and consequently on the dynamics of the Taylor flow. These effects are quantified using experiments and analytical modeling. This work was performed at Princeton University with Professor Howard A. Stone during a seven month stay.

Ce travail de recherche est dédié à la compréhension des mécanismes physiques de l’érosion de cavitation dans un fluide compressible à l’échelle fondamentale de l’implosion d’une bulle de cavitation. Suite à l’implosion d’une bulle de vapeur à proximité d’une surface solide, des très hautes pressions sont générées. Ces pressions sont considérées responsables de l’endommagement (érosion) des surfaces solides observé dans la plupart des applications. Notre approche numérique démarre avec le développement d’un solveur compressible capable de résoudre les bulles de cavitation au sein du code volumes finis YALES2 en utilisant un simple modèle de mélange homogène des phases fluides. Le solveur est étendu à une approche ALE (Arbitraire Lagrangien Eulérien) dans le but de mener des simulations d’interaction fluide-structure sur un maillage mobile. La réponse du matériau solide est calculée avec le code de calcul éléments finis Cast3M, et nous a permis de mener des simulation avec un couplage d’abord monodirectionnel, ensuite bidirectionnel, entre le fluide et le solide. On compare des résultats obtenus à deux dimensions, puis à trois, avec des observations expérimentales. On discute les chargements de pression estimés, et les réponses de différents matériaux pour des implosions de bulle à des différentes distances de la surface. Enfin, à travers l’utilisation de simulations avec couplage bidirectionnel entre fluide et solide, on identifie l’amortissement des chargements de pression pour les différents matériaux. / This research is devoted to understanding the physical mechanism of cavitation erosion in compressible liquid flows on the fundamental scale of cavitation bubble collapse. As a consequence of collapsing bubbles near solid wall, high pressure impact loads are generated. These pressure loads are believed to be responsible for the erosive damages on solid surface observed in most applications. Our numerical approach begins with the development of a compressible solver capable of resolving the cavitation bubbles in the finite-volume solver YALES2 employing a simplified homogenous mixture model. The solver is extended to Arbitrary Lagrangian-Eulerian formulation to perform fluid structure interaction simulation with moving mesh capabilities. The material response is resolved with the finite element solver Cast3M, which allowed us to perform one-way and two-way coupled simulations between the fluid and solid domains. In the end, we draw comparisons between 2D and 3D vapor bubble collapse dynamics and compare them with experimental observations. The estimated pressure loads on the solid wall and different responses of materials for attached and detached bubble collapses are discussed. Finally, the damping of pressure loads by different materials is identified with two-way coupled fluid-structure interaction.

Nous étudions les comportements dynamiques de solutions aqueuses de dioxyde de carbone, pures ou sous forme de boissons gazeuses. Nous observons les façons dont des solutions carbonatées, initialement à l'équilibre de Henry, répondent à une perturbation, qui peut être un changement brusque de pression ou une agitation mécanique. Ces questions sont examinées expérimentalement, à l'aide de dispositifs construits pour cette étude. Ceux ci permettent de visualiser les champs de vitesse et les fronts de dissolution dans le fluide, dans des conditions variées de pression, taille et forme de système. Une partie importante est consacrée à la chemi-convection provoquée par la déstabilisation d'une couche diffuse de CO2 dissout. Nous présentons une caractérisation complète du phénomène, et une interprétation basée sur une théorie de l'instabilité de Rayleigh-Taylor correspondante. L'autre partie de notre travail concerne des systèmes fermés, dont la bouteille de champagne est l'exemple type. Nous montrons que l'agitation de la bouteille provoque une légère baisse transitoire de la pression interne, et expliquons le phénomène à l'aide d'un modèle basé sur la théorie d'Epstein-Plesset de la dynamique des bulles. / This work is about dynamical phenomena of water-carbon dioxide solutions, either pure binary mixtures or carbonated beverages. We address the general problem of how such solutions, initially at Henry's equilibrium, respond to a perturbation. The latter may be a sudden change in pressure, or mechanical shaking. These problems are investigated with the help of especially designed experimental hardware that allows us to visualize the velocity field and the concentration front inside solutions, in diverse conditions of pressure, system size and shape. An important part of the work is dedicated to chemi-convection, i.e. the fluid motion induced by destabilisation of the diffuse layer of dissolved CO2. Both experimental characterization and interpretation through a theory of the corresponding Rayleigh-Taylor instability are presented. The other part of the work is related to closed systems, representative of a bottle of champagne and of sodas in general. A key observation is that shaking produces a small transient drop of the internal pressure, which we explain through a dedicated modelbuilt on Epstein-Plesset's theory of bubble dynamics.